釩與鎵摻雜氧化鎂鋅薄膜之壓電性質應用於壓電奈米發電機之研究

Abstract

氧化鋅(Zinc Oxide ZnO)為兩價金屬鋅的氧化物，屬於n型的半導體材料，其空間群為P63mc，結構內部主要的缺陷種類為鋅格隙、氧空缺 ，具有直接而且寬的能隙(3 3eV)、六方型纖鋅礦結構及沿著c軸(c-axis)的成長優選取向[0001]，此外，氧化鋅又具備壓電及壓光電的性質，使其被廣泛運用在感測器(sensors)、奈米發電機(NGs)、發光二極體(LED)及光感測器(photodetector)。永續能源的發展，從近年來備受討論的能源議題易產生污染的傳統火力發電、核能發電，轉而選擇對環境無害的太陽能、風力及機械能等作為能源來源，其中機械能發電的優勢在於能源的取得相對方便，存在生活周遭且不易受到氣候所影響。機械能供電也能被微型化製作為奈米發電機，結合自發電(self-powered)的概念，利用奈米發電機供應另一裝置電能，將電能的產生裝置結合工作裝置同時應用於元件端，對於未來可攜帶式裝置有深遠的影響。 本研究著重於氧化鋅材料的延伸探討，目的是為了強化氧化鋅的壓電係數(12 4 pm/V)，藉由射頻磁控濺鍍系統，採用氧化鎂鋅單靶將鎂以合金化的方式製作為薄膜並成長在(111) p型矽基板上，固定基板溫度並改變濺鍍氣氛(Ar、O2)的流量，以達到最佳壓電係數之薄膜中的鎂含量(XMg = 0 285)，利用鎂置換氧化鋅中的鋅離子能夠優化壓電係數，提升能隙範圍，並同時改變氧化鋅之晶體結構及鍵結型態。文獻中證實釩置換氧化鋅中的鋅離子，能夠提升材料之壓電係數，強化結構的機電性質；此外，三族元素(Al、Ga、In及Tl)摻雜氧化鎂鋅薄膜能夠提升材料的電性質，同時又具備良好的光學穿透性，多被應用於透明導電膜(TCO)；其中鎵摻雜氧化鎂鋅薄膜最具備改善材料的晶體結構並強化優選方向[0001]的能力。氧化鎂鋅達到最佳壓電係數為22 64 pm/V，進而以摻雜的方式，分別以氧化釩、氧化鎵靶材與氧化鎂鋅合金靶材共濺鍍，使釩與鎵置換氧化鎂鋅薄膜晶體結構中的鎂、鋅離子，並能改變結構、鍵結型態及壓電係數。協同合金化及摻雜之結合效應於氧化鋅中，探討此結合效應於壓電性質的調整，進一步研發並衍伸出具備多種?能之壓電元件。由分析結果顯示，釩摻雜氧化鎂鋅薄膜，間接提升薄膜鎂含量接近相轉換區域，使薄膜的柱狀結構逐漸消失，同時存在不穩定的鍵結型態，造成釩摻雜氧化鎂鋅無法有效提升壓電係數。然而，鎵摻雜氧化鎂鋅薄膜具備明顯的柱狀結構，顯示出晶粒沿著[0001]方向成長，於中度鎵摻雜約1 77 at%，鎵與鎂的結合效應於氧化鋅中達到平衡，薄膜具有最高的壓電係數(~40 pm/V)約為氧化鋅的三倍，證明了鎂合金化結合鎵摻雜不僅可以應用於光學元件上，亦能夠有效提升氧化鋅薄膜的壓電係數。最後，本研究進一步將鎵摻雜氧化鎂鋅薄膜應用於壓電型奈米發電機元件，證明鎵摻雜能夠將壓電性質的改善延伸至奈米發電機的輸出。 本研究選用具備最佳壓電係數之鎵摻雜氧化鎂鋅薄膜並將其製作為奈米發電機元件，並與未摻雜之氧化鎂鋅做比較。結果顯示出不同工作頻率下的輸出電流密度與電壓，鎵摻雜後的薄膜均有較佳的輸出表現，工作頻率為2 Hz的鎵摻雜氧化鎂鋅薄膜輸出約15 nA/cm*2及0 1V的電流密度與電壓；接著將元件於固定應力下量測電流—電壓曲線，能夠由電流值差異推算出蕭特基能障的下降4 90 meV，由上述量測證實鎵摻雜氧化鎂鋅薄膜能夠將材料的優化繼續延伸至元件端，且若進一步優化元件之製作，將具備提升輸出的潛力。

Date of Award	2018 Aug 7
Original language	Chinese
Supervisor	Chuan-Pu Liu (Supervisor)