本論文透過水熱合成法以及溶膠凝膠法兩種製程方式，在矽基板上成長二氧化錫奈米結構，並將其應用於乙醇氣體的感測。水熱合成法在濺鍍的種子層上以化學溶液生長二氧化錫；溶膠凝膠法則透過浸塗的方式將二氧化錫沉積在矽基板表面。本研究亦利用氫氧化鉀溶液以濕式蝕刻的方式改變矽基板的表面形貌，形成金字塔形貌之陣列。大幅增加的元件表面積能與更多待測氣體反應，使得響應值有明顯的改善。
實驗透過藥品配方濃度的調變以及浸塗次數的不同，獲得元件對乙醇氣體感測的最佳參數。實驗結果指出，在蝕刻矽基板上以水熱法成長二氧化錫奈米結構，對於乙醇氣體具有最佳的感測特性。在操作溫度200℃之下，元件對於300ppm的乙醇氣體之靈敏度為379%。而響應時間與恢復時間則分別為17秒以及20秒。相較於平面元件，靈敏度具有十分顯著的改善。蝕刻所改變的矽基板表面形貌，有效增加元件與待測氣體的反應面積。且基板與奈米結構間的PN接面具有較高的能障，可降低元件的漏電流。高效能的乙醇氣體感測器對於酒測值以及工業安全方面的檢測，具有極佳的應用價值。

In this thesis, tin dioxide (SnO2) nanostructures are grown on silicon substrates by hydrothermal synthesis and sol-gel method. The fabricated nanomaterials are applied to ethanol gas sensors. Hydrothermal synthesis develops SnO2 nanoparticles on sputtered seed layer. Sol-gel method deposits SnO2 nanofilms on substrates through dip coating. We also utilize wet etching with potassium hydroxide (KOH) to change the surface morphology of silicon substrates. The etched surfaces with pyramid arrays have been effectively increased the surface-to-volume ratio. Larger area of the devices can react with more ethanol gas molecules and the response to gas are improved.
The experiments are performed by modifications of the chemical formulas and the cycle numbers of dip coating. The optimal parameters are acquired for ethanol gas sensing. According to the results, the device with SnO2 nanoparticles by hydrothermal synthesis on the etched substrate has the best sensing characteristics. The best device has a response of 379% under 200℃ and 300ppm ethanol gas. Besides, the response and recovery times are 17 seconds and 20 seconds, respectively. Compare with the planar device, the sensitivity of the device with pyramid arrays is well-enhanced. Wet etching changes the surface morphology and increases the surface area to react with ethanol gas. Moreover, the p-n junctions between the nanomaterials and the substrates have higher energy barriers and reduce the leakage currents of the devices. Ethanol gas sensors with high responses have superior potential for drunk driving evaluation and industrial safety inspection.

論文審定書 i
誌謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xiii
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 乙醇氣體介紹 2
1-3 氣體感測器介紹 2
1-4 奈米結構 3
1-5 二氧化錫 4
1-6 論文架構 5
第二章 理論原理 6
2-1 元件製作機台 6
2-1-1 射頻磁控濺鍍機 6
2-1-2 真空熱蒸鍍機 6
2-2 材料成長機制 7
2-2-1 矽基板蝕刻機制 7
2-2-2 溶膠凝膠法 9
2-2-3 水熱法 10
2-2-4 二氧化錫成長機制 10
2-3 物理特性量測機台 12
2-3-1 掃描式電子顯微鏡 12
2-3-2 X 光粉末繞射儀 13
2-3-3 能量色散X 射線光譜 13
2-4 金屬氧化物半導體氣體感測器之工作原理 14
2-4-1 乙醇氣體感測原理 14
2-4-2 操作溫度 16
2-5 氣體量測系統之量測原理 16
2-6 氣體響應值之定義 18
第三章 材料選擇與實驗步驟 19
3-1 實驗材料選擇 19
3-2 製成步驟與參數選擇 20
3-2-1 基板清洗步驟與說明 20
3-2-2 矽基板蝕刻 21
3-2-3 溶膠凝膠法成長二氧化錫薄膜 22
3-2-4 濺鍍二氧化錫種子層 23
3-2-5 水熱法成長二氧化錫奈米顆粒 23
3-2-6 蒸鍍鋁電極 24
3-3 物理特性量測機台 24
3-3-1 掃描式電子顯微鏡 24
3-3-2 X 光粉末繞射儀 25
3-3-3 能量色散X 射線光譜 26
3-4 氣體量測系統 26
第四章 結果與討論 28
4-1 物性特性分析 28
4-1-1 平面矽基板溶膠凝膠法成長二氧化錫奈米薄膜 28
4-1-2 平面矽基板水熱成長二氧化錫奈米顆粒 29
4-1-3 矽基板蝕刻 30
4-1-4 蝕刻矽基板溶膠凝膠法成長二氧化錫奈米薄膜 30
4-1-5 蝕刻矽基板水熱成長二氧化錫奈米顆粒 32
4-2 元件工作溫度與響應值分析 33
4-2-1 平面矽基板溶膠凝膠法成長二氧化錫奈米薄膜 33
4-2-2 平面矽基板沉積二氧化錫種子層 34
4-2-3 平面矽基板水熱法成長二氧化錫奈米顆粒 34
4-2-4 蝕刻矽基板溶膠凝膠法成長二氧化錫奈米薄膜 35
4-2-5 蝕刻矽基板沉積二氧化錫種子層 36
4-2-6 蝕刻矽基板水熱法成長二氧化錫奈米顆粒 37
4-3 動態響應分析 39
4-3-1 蝕刻矽基板溶膠凝膠法成長二氧化錫奈米薄膜 39
4-3-2 蝕刻矽基板水熱法成長二氧化錫奈米顆粒 39
4-4 選擇性分析 39
第五章 結論與未來展望 41
5-1 結論 41
5-2 未來展望 42
參考文獻 43
附圖 46
附表 85

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