本文是以化學氣相沉積法在(100)面γ相的鋁酸鋰 (γ–LiAlO2， LAO)基板上成長非極性m-plane 氧化鋅奈米材料。本實驗以氧化鋅與石墨的混和粉末作為反應源前驅物，氬氣和氧氣分別作為載送氣體及氣態反應源，在基板上鍍金作為固-液-氣三態共存(vapor-liquid-solid, VLS) 生長模式的催化劑。實驗過程研究了基板與反應源相對位置，反應時間、壓力、溫度等實驗條件，對於氧化鋅奈米材料生長的影響。
以X光繞射、掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，研究氧化鋅奈米材料的晶體結構、表面形貌以及內部缺陷…等等材料性質，發現在設定溫度830℃、爐內壓力10 torr、反應時間5分鐘、與氬氣和氧氣的混合氣體流量50sccm的條件下，可以獲得單純非極性(10-10) m-plane生長的氧化鋅奈米材料。
進一步以光致發光(PL)、陰極發光(CL)和拉曼(Raman)光譜進行了m-plane氧化鋅奈米材料的光學性質、以及材料內應力…等等研究。

In this thesis, the growth of nonpolar m-plane zinc oxide (ZnO) nano-materials on (100) γ–LiAlO2 (LAO) substrates by a chemical vapor deposition (CVD) process had been studied. The mixture powders of ZnO and graphite are used as the precursor of reaction sources. Ar/O2 are used as the carrier gas and reaction gas source respectively, and the Au thin-film coated on the LAO substrate is the catalyst for the vapor-liquid-solid (VLS) growth mode.
The X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) were used to study the influence of the varied growth conditions, such as deposition time, reaction pressure, growth temperature, and the distance between substrates and reaction powder … etc., on the crystal structure, surface morphology, orientation and microstructure characterizations of the ZnO nanostructure.
The pure (10-10) m-plane ZnO nano-materials can be obtained at the growth parameters of 830°C, 10 torr, 5 minutes, and 50 sccm of Ar/O2.
Furthermore, photoluminescence (PL), cathodoluminescence (CL) and Raman spectroscope (Raman) were used to study optical properties and the inner stress of the materials.

總目錄
文目錄 ………………………………………………………………………………Ⅰ
圖目錄 ………………………………………………………………………………Ⅳ
表目錄 ……………………………………………………………………………Ⅵ



文目錄
第一章 緒論 ………………………………………………………………………1
1.1 引言 ….…………………………………………………………………1
1.2 氧化鋅應用現況 .………………………………………………………2
1.3 研究動機 ……….………………………………………………………2

第二章 文獻回顧與理論基礎 ………………………………………………4
2.1 氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)的晶體結構與基本特性 ………….………4
2.2 氧化鋅材料的應用優勢 ……………………………………….………7
2.3 鋁酸鋰(LiAlO2，LAO)的結晶結構與性質…………………….………8
2.4 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition， CVD) ……………...9
2.5 晶格匹配 ..……………………………………………………….……12
2.6 Vapor-Liquid-Solid (VLS)成長機制 ………..…………………………14

第三章 實驗方法 ………………………………………………………………18
3.1 實驗流程介紹 …………………………………….…………………18
3.1.1 實驗機台 …………………………………………..…………19
3.1.2 基板準備 ………………………………………..……………19
3.1.3 反應原料與氧化鋁舟準備 ………………………..…………20
3.1.4 生長前的環境準備 …………………………..………………20
3.1.5 開始成長 ……………………………………………..………20
3.2 磊晶製程參數選擇 ……………………………………….…………21
3.3 量測系統介紹 ……………………………………………….………21
3.3.1 X光繞射分析儀 (X-Ray Diffraction, XRD) …………………21
3.3.2 場發掃描式電子顯微鏡 (Field Emission Scanning
Electron Microscope, FE-SEM) …………21
3.3.3 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron
Microscope, TEM)…..…………22
3.3.4 光激發光譜儀(Photoluminescence spectroscope, PL) ……….22
3.3.5 拉曼光譜儀(Raman spectroscope, Raman) …………...……...22

第四章 實驗結果與討論 ……………………………………………………23
4.1 基板與反應源相對位置的影響 ……………...…………………..23
4.2輸入氧氣的影響 ………………………………………….……25
4.3 縮短反應時間的影響 ………………………………………….……27
4.4 改變溫度的影響 ……………………………………………….……29
4.5 改變反應壓力的影響 ………………………………………….……30
4.6 不同降溫冷卻方式的影響 …………………………………….……32
4.7 氧化鋅m-plane成長的最佳生長參數 ……………….……………..35
4.8 傾斜試片與橫截試片，柱狀物結構的形貌觀察結果………………...39
4.9 XRD結果分析 ….………………………….………………………...42
4.10 TEM結果分析 …………………………………………………….44
4.11 PL光譜結果分析 ………………………………….………………..51
4.12 CL光譜結果分析 ….…………………………………….…..……..52
4.13拉曼光譜結果分析 ……………...…….…………………….……..53

第五章 結論 …………………………………………………………………54

第六章 參考文獻 ………………………………………………………………56


圖目錄
圖2-1 氧化鋅三種結構比較示意圖[4] ……….……………………………………...4
圖2-2 氧化鋅的三個重要結晶面[6] …………………………………………………6
圖2- 3 LiAlO2之相圖[21] ………………………...……………………………………8
圖2- 4 CVD磊晶機制示意圖[27] ……………………………………………………10
圖2-5 CVD中生長條件改變時，邊界層的厚度變化示意圖[27] .…………………11
圖2-6 (in-situ TEM)成功觀察到VLS機制中Ge成長的過程[31] …………………15
圖2-7 (a) VLS成長機制示意圖、(b) VLS機制與金鍺相圖的對照[31] ….……….16
圖3-1 實驗流程圖 …………………………………………………………………18
圖3-2 CVD實驗裝置示意圖 ………………………………………………………19
圖3-3 生長完，剛取出的氧化鋁舟與基板 ……………………………………….20
圖3-4 氧化鋅奈米材料成長過程的升溫/反應/降溫過程示意圖 .……………….21
圖4-1 試片1的SEM影像 ………………………………………………………..24
圖4-2 試片2的SEM影像 ………………………………………………………..24
圖4-3 試片3的SEM影像 ………………………………………………………..25
圖4-4 試片4的SEM影像 ………………………………………………………..26
圖4-5 試片5的SEM影像 ..…………………………………….………………...26
圖4-6 試片6的SEM影像 (2000X) ………...……………………………………27
圖4-7 試片6的SEM影像 (20000X) ……….………………………...…………28
圖4-8 試片7的SEM影像 …………………...…………………………………..29
圖4-9 試片8的SEM影像 …………………...…………………………………..30
圖4-10 試片9的SEM影像 ………………….……………………………………31
圖4-11 試片10的SEM影像 ……………………………………………………...31
圖4-12 試片11的SEM影像 ……………………………………………………...32
圖4-13 試片7的SEM影像 ………………………………………………………33
圖4-14 試片12的SEM影像 ……………………………………………………..33
圖4-15 試片13的SEM影像 ……………………………………………………..34
圖4-16 試片14的SEM影像 (5000X) ……………………………………………35
圖4-17 試片14的SEM影像 (10000X) …………………………………………..36
圖4-18 試片14的SEM影像 (35000X) …………………………………………..36
圖4-19 試片15的SEM影像 …………………………...…………………………37
圖4-20 試片16的SEM影像 ……………………………………………………..37
圖4-21 試片14在SEM中的放置方位 …………………………………………..38
圖4-22試片15、16在SEM中的放置方位 ………………………………………..38
圖4-23 試片7的SEM影像(Tilt 45°holder) ……………………………………...39
圖4-24 試片7的SEM影像(Tilt -45°holder) …………………………………….40
圖4-25 試片15的SEM影像 ……………………………………….…………….41
圖4-26 試片16的SEM影像 ……………………………………………………..41
圖4-27 試片14的XRD分析與比對 ..…………………….………………………42
圖4-28 試片14的TEM明視野影像與選區繞射圖，(Zone axis: Z=[-12-10]) …45
圖4-29 以軟體模擬的ZnO繞射圖(Zone axis: Z=[1-210])與(1-210) projection ....46
圖4-30 鋁酸鋰基板與氧化鋁間磊晶關係的模擬示意圖 ……………….….…....47
圖4-30 Point 1的EDX ……………………………………………………………...48
圖4-31 Point 2的EDX ……………………………………………………………...49
圖4-32 Point 3的EDX ……………………………………………………………...50
圖4-33 試片14的PL ………………………………………………….……………51
圖4-34 試片14的CL成像 (380nm) ………………………..……….……………52
圖4-35 試片14的拉曼光譜 …………………………………………...…………..53
圖5-1 氧化鋅奈米材料生長過程示意圖 …………………………………………54


表目錄
表2-1 氧化鋅(wurtzite ZnO)之物理性質[5] ………………………………………..5
表2-2 ZnO與LAO的晶格不匹配差異應變比較[28] ……………………………..12
表2-3 ZnO與LAO的晶格應變能比較[28] ………………………………………..13
表2-4 碳與氧化鋅進行碳熱還原的反應式與其對應的自由能[34] ……………..17
表4-1 不同的基板與反應源相對位置，實驗之成長參數 …….………….……23
表4-2 改變氧氣輸入，實驗之成長參數 …………………………….…….…….25
表4-3 改變反應時間，實驗之成長參數 ………………….………….….………27
表4-4 改變反應溫度，實驗之成長參數 ………………….……………………..29
表4-5 改變反應壓力，實驗之成長參數 ………………….……………..………30
表4-6 改變冷卻方式，實驗之成長參數 ………………….……………………..32
表4-7 綜合過去實驗所得的最佳化成長參數 ……………….……....................35
表4-8 鋁酸鋰的JCPDS card[47] ……………………………………………………42
表4-9 氧化鋅的JCPDS card[47] ……………………………………………………43
表4-10 Point 1的EDX元素含量分析 ……………………….…….…..…………48
表4-11 Point 2的EDX元素含量分析 ……………………….…….…..…………49
表4-12 Point 3的EDX元素含量分析 …………………………….….…………..50

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