利用摻雜與多孔性發展高性能氧化鋅及氮化物壓電電子及壓電催化元件

有鑑於全球的溫室效應及能源危機，尋找可再生及綠色能源是當今維持人類社會永續發展最迫切的挑戰。近期的發展是將多功能奈米元件整合到單一奈米系統裡，使其能夠執行感測、控制、交流及致動/回應之功能。奈米科技之目標為建造自供電之奈米系統，並展現極小尺寸、超高靈敏度、多功能性及超低消耗能量等優勢。因此，由外部環境所擷取的微小震動足夠啟動系統。壓電電子裝置在次世代自供電奈米元件中扮演關鍵的角色，包含壓電電晶體(PE-FET)、奈米發電機(NGs)及壓電光電化學(PEC)裝置等。由於我們身在該領域最前線的研發階段，因此需要持續發展新穎材料來增強壓電電子裝置、奈米發電機及壓電光電化學裝置的元件效能。若要完成此目標，找尋高壓電係數的新材料為最直接的方法。然而，有鑿於現有製程技術的困難，製備大規模及高品質新材料並非容易的工作。對此，以現有材料進行微結構改質為最有效益及效率之方法。因此之故，我們提出的三年計畫將會聚焦於提升元件效能，利用多樣化且可直接應用於不同材料的製程方式，透過研究孔洞率(奈米尺度之內孔及外孔)及摻雜的效應，以氧化鋅(ZnO)和氮化鎵(GaN)奈米線為模型，來建造高效能應變調控型電晶體(SG-FETs)及壓電AC及DC型奈米發電機，並瞭解壓電電位的增益現象機制。在第一年，重點將放在一維氧化鋅及氮化鎵奈米結構的製程，並透過孔洞及摻雜所造成的微結構及形貌改質，以及氮化鎵製程中極性和形狀之變化，來研究其對壓電電位的相依性。在第二年裡，探討第一年中發展出的新結構整合到元件上的影響，例如孔洞及摻雜效應對AC及DC型壓電奈米發電機、壓電電晶體以及氮化鎵奈米線之極性和形狀對壓電電晶體的壓電電位影響等。最後，在第三年，將聚焦在開發新穎應用於壓電催化的水分解製程，透過孔洞、摻雜及壓電電子效應，使氧化鋅及氮化鎵奈米線的光電化學(PEC)特性產生增益現象。由本實驗室初步研究成果，可以發現該創新應用能使PEC水分解的光陽極在不同程度的孔洞、摻雜及應變條件下，進行材料系統設計的研發。最後，透過模擬分析，將對元件效能的增益進行系統性的解讀及研究，建構其完整機制；基本的工作原理也會透過背景理論闡述，以期待能對元件效能有進一步的改善。