1、國家同步輻射研究中心 出國心得報告書 出國人姓名： 陳錦明 出國日期：103 年7 月14 日 7 月19 日 目的地 ( 國家、城市) ： 國家： 中國 城市：重慶 參加會議名稱或考察地點： 參加 International Conference on Technological Advances of Thin Films 一對 可以結合 和被稱 為激子。這對 由內部 電場（ 存在於 pn 結或 Schottcky 二極管 ） ，將 所得的 電子和空 洞的流 動分離 產生電 流 。 內部 電場通過 摻雜半 導體界 面的一 部分以原 子充當 電子供 體（n 型摻 雜） 和另一種 與電子 受體
2、（p 型摻 雜） ， 結 果在一個 pn 結 產生 。 一個 誒對 生成需要 的光子 具有的 能量超 過該材料 的帶隙 。太陽 電池的 材料種 類 ，可以有 非晶矽 、多晶 矽、 CdTe 、CuIn x Ga (1-x) Se 2 等半 導體。 主要是 透過不同 的製程 和方法 ，測 試對光的 反應和 吸收 ， 做到能 隙結合 寬 廣 ， 讓 短波長或 長波長 都可以 全盤吸收 的革命 性突破 ，來降 低材料 的 成本。太 陽電池 型式上 也分 有 ， 基板式或 是薄膜 式 ， 基板在 製程上 可分拉單 晶式的 、 或 相溶後 冷 卻結成多 晶的塊 材，薄 膜。太 陽電池 相 關研究是 重要
3、方 向之一 。 量子點太 陽能電 池是一 種利用 量子點 作 為吸收光 伏材料 的太陽 能 電池的設 計。它 試圖取 代散裝 材料如 矽 ，銅銦鎵 硒（CIGS ）或 碲化 鎘 。 量 子點的 帶隙是 在大範 圍的能 量水 平可調諧 通過改 變量子 點的大 小 。 這 個特性使 得量子 點的多 結太陽 能 電池 ， 其中的各 種材料 用於通 過收穫太 陽光譜 的多個 部分， 以提高 工 作效率的 吸引力 。 近期的研 究中使用 了不同 的配體 的不同 功能通 過 調節它們 的相對 帶寬對 準 ， 以 改善性能 。 Nanostructured and Nanocomposite Films a
4、nd Coatings 納米複合 塗層Nanostructured and Nanocomposite Films 通常由 三元 或四元體 系與形 成 , 包括過渡金屬 氮化 物納米晶 （NC-）， transition metal-nitrides （ 如氮化 鈦，氮 化鋁鈦， 氮化鉻，BN ，VN， 氮化鋯 ， W 2 N 等） ，碳化物 （例如 ，的 TiC ，VC ，WC 等） ，硼化 物（例 如硼 化鈦，TiB ，CrB 2 等） ，氧 化物 （例如 ，氧化鋁 ，二氧 化鈦，B 2 O 3 ， 二氧化矽 等） ，或 矽化物 （例如 TiSi 2 ，CrSi 2 ，ZrSi 2 等 ）
5、無定 形物（a 型） 材料（例 如，氮化矽，氮化 硼，C 等） 。有許多不 同的納 米晶/非 晶基 體（ nc-/ a-） 系 統，如：數 控 錫/ A-氮 化 矽，NC - 錫/ A- 氮化 矽/ a- 和 nc- 的 TiSi 2 ，nc- 氮化鉻/ a- 氮化矽 ，nc-W 2 N/ A- 氮化矽 ，nc- 氮化鋁 鈦/ a- 氮化矽 ，nc- TiN/ A-BN ，nc-TiC/ AC ，nc-WC/ AC 。 自旋電子 學 奈米結構 下的電 子元件 若能同 時運用 電 子的電荷 與自旋 兩種特性，結 合磁學 與電子 學兩大 領域的 自旋 電子學以 及自旋 電子元 件的研 究與用 ，
6、將是 未來科 學發展 的主流 之一 。 ， 在相關的電 子自旋 研究系 統中 ， 最受矚目 的材料 為稀磁 性半導 體(DMS) ， 為了實 現自旋電 子原 件的應用 ， 鐵 磁半導 體的發 展 ， 一直是 很重要的 課題 。 在一 般鐵磁 半 導體中， 鐵磁性 的產生 ，是源 自於磁 性 原子的摻 雜，如 Mn doped GaAs 、Mn doped ZnO 或者是 Mn or Fe doped TiO 2 等。DMS 為自 旋電 子元件中 能提供 自旋極 化的載 子源 ， 並 可控制鐵 磁性質 而改變 材料的 電及光的 特性。 有機自旋 電子學 將有機 半導體 材料作 為 研究對象 ，通
7、過 外加磁 場 等條件研 究有機 半導體 材料內 載流子 的 自旋特性 ， 是 自旋電 子學與 有 機半導體 相結合 的交叉 學科. 通常自 旋- 軌道耦合 作用和 超精細 相互作 用( 電子 自旋與 體材料 原子核 自旋間 的相 互作用) 對載流 子的散 射能 夠導致載 流子自 旋方向 的翻轉 ， 從而 喪 失對自旋 方向的 記憶 。 有機分 子由於具 有相對 應的磁 光電特 性 ， 因 此 在近期研 究中如 場效電 晶 體 、 發光二極 體 、 太 陽能電 池 ， 以及穿 隧磁 阻元件製 作等傳 統半導 體製程 領域中皆 有有機 分子的 相關研 究投入 ， 包含有機 場效電 晶體 、 有機
8、發 光二極體(OLED) 、 有機太 陽能電池 ， 以 及有機磁 阻(OMAR) 等相關 研 究。有機 自旋電 子學是 熱門研 究題材 。 石墨烯 Geim 等 人發現 穩定存 在的單 層石墨 烯結 構以來， 關於石 墨烯的 研究不斷 取得重 要進展 。墨烯 是由碳 六 元環組成 的兩維 （2D ） 週期 蜂窩狀點 陣結構 ，它可 以捲成 一維（1D ）的碳納 米管（ 碳納米 管， CNT ）或 者堆垛 成三維 （3D ）的 石墨（ 石墨）， 因此石 墨烯是 構成 其他石墨 材料的 基本單 元 。 石墨烯 成為 凝聚態物 理學中 獨一無 二的描 述無質量 狄拉克 費米子 ， 這種 現象導 致
9、了許多新 奇的電 學性質 。 它擁 有特殊的 能帶結 構和異 常的量 子霍爾 效 應。 由於石墨 烯具有 比矽更 佳的導 電性質 ， 將來可能 成為在 電子元 件 中導電通 道的材 料 。 此外石墨烯有 著非 常不尋常 的機械 、 結構 、 電性 和其他性 質 ， 在基礎科 學具有 獨特的 意 義和龐大 的商業 應用潛 力 ， 石 墨烯的潛 在應用 方向包 括觸摸 屏 ， 太陽 能電池 ， 能量 儲存裝 置 ， 手機和高速電 腦芯片 。 同 時 ， 這種材 料可適 用觸控螢 幕以及 光學領 域 ， 並 能催生更 薄 、 更 具靈活 度且重 量更輕 的 複合材料 。 這種 形式的 碳更被 推崇將
10、成 為下個 世代的 超級材 料 。 為 目 前科學研 究的焦 點 。 石墨烯製 備化學 ， 石墨烯 化學改 性 ， 石墨烯 表面 化學和催 化等方 面取得 的重要 進展 。 通過表 面反應 對石墨 烯進行 摻雜 和官能化 ， 製 備了石 墨烷 ， 石 墨烯氧化 物等具 有特殊 結構和 性質的 石 墨烯相關 化合物 ， 這 些石墨 烯 及石墨烯 相關材 料在催 化 ， 儲 氫等領 域 展現出非 常重要 的應用 前 景 。 燃料電池 燃料電池 具有高 效率與 低污染 電源的 優 點 ， 其 能夠建 造成大 型電 力供應站 ， 小至 能提供 攜帶式 電子用 品 的電源 ， 可提供 高儲電 源的能 力
11、 ， 維持較長 的操作 時間 ， 結合 國內的 研究資源 研發燃 料電池 ， 是 十 分迫切需要。燃料電池依照電解質的不同，可分為鹼性燃料電池 (Alkaline Fuel Cell；簡稱 AFC) 、 質子 交換膜燃 料電池 或固體 高分子 型燃料電 池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell ；PEMFC) 、磷酸 型 燃 料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell ；PAFC) 、溶 融碳酸 鹽燃 料電 池 (Molten Carbonate Fuel Cell ；MCFC) 及 固態氧 化物 燃料 電池 (Solid Oxide Fuel
12、Cell ；SOFC) 等 五 種。PEMFC 基本設計是由 兩個電 極夾著 一層高分 子薄膜 之電解 質 ， 電 解質需 要 維持溼度 ， 使其 成為離 子導體 (ionic conductor)。在 PEMFC 中 ，電解 質為氫離 子(質子) 導 體，故 名 為質子交 換膜 (proton conducting membrane PEM) 或簡稱質導 膜。 電極通常 為多孔 性碳 ， 其上多 包含做 為 催化劑之 用的白 金粉末 。 觸媒 材料依其功能分為氫觸媒與氧觸 媒二種 ，分別使用於陽極/ 質子交換 膜界面及陰極/ 質子交換膜介面。 根據電 催化效應作用，氫觸媒促使 氫原子氧 化為
13、質 子 ， 氧 觸媒則 使氧原 子 還原為水 。 觸媒 材料之 選擇有 三大要件 ：高分 散度下 的均勻 性、催 化 活性與安 定性。 有機分子 具有相 對應的 磁光電 特性， 因 此在近期 研究中 如場效 電 晶體、發光二極 體、太陽能 電池，以及 穿隧磁阻 元件(MTJ) 製 作等傳 統半導體 製程領 域中皆 有有機 分子的 相 關研究投 入 ， 包含 有機場 效電 晶體(OFET) 、有機 發光二 極體(OLED) 、 有機太陽 能電池 ，以及 有機 磁阻(OMAR) 等相關 研究除 利用有 機物 較簡易的 製程設 備外 ， 也利用有機物可 扭曲的 特性， 進行研 究。 奈米碳管 自從
14、1991 年日本 NEC 基礎研 究所的 飯 島澄男 （Sumio Iijima）博 士發現了 奈米碳 管 （carbon nanotube ） ， 並在國際 著名的 Nature 雜誌 上發表其 研究報 告後 ， 跨入 奈米世 紀的 尖端材料 研究熱 潮就此 展開 。 奈米碳管 是一個 奈米級 管狀物 質 ， 具有 特殊的物 性及化 性 ， 並以純 碳 的形式存 在 。 具有 高深寬 比 、 化學 穩定 、 以及導電 度等特 性之奈 米碳 管 ， 現今漸形 成可被 廣泛應 用到不 同電 子裝置之 趨勢 。 藉由 將不同 化 合物覆蓋於奈米碳管之外表以及崁入不同化合物於奈米碳管之內 部，可以
15、產生不 同電性 以及磁 性的複 合 材料。 由於奈米 碳管內 的電子 運動受 到量子 效 應的影響 ，其電 子運動 方 向只能沿 著軸向 在同一 層的碳 管中運 動 ， 沿徑 向的運 動受到 極大的 限 制 。 另外 ， 碳管 的能帶 間隙也會 隨著管 徑的增加 而變窄 ， 即 導電性 會 隨著碳管 的管徑 不同而 呈現半 導體或 導 體的特性 。 若 應用於 奈米電 子 學中 ， 則可製 作出更 小 、 特性更 佳的奈 米電子元 件 ， 例如奈 米級積 體 電路中的 奈米導 線，或 利用具 有半導 體 特性的碳 管製作 奈米電 晶體 等 。 若就電子 遷移率 來比較 ， 奈 米碳管 遠大於矽
16、 材料 ， 所以 此種電 晶 體的開關 速度將 遠超過 目前以 矽材料 製 作的電晶 體。 稀磁性半 導體 : 奈米 結構下的電子 元件若能同 時運用電子的 電荷與自旋兩 種特 性 ， 新 一代多功 能的自 旋電子 元件將 可 能實現 ， 在相關 的電子 自旋研 究系 統中，最受矚 目的材料為 稀磁性半導體 ，稀磁半導體 （ Diluted magnetic semiconductors, DMS ） 是指非 磁性半導 體中的 部分原 子被過 渡 金屬元素 取代後 形成的磁 性半導 體，因 兼具有半 導體和 磁性的 性 質 ， 即 在一種材 料中同 時應用 電子電 荷 和自旋兩 種自由 度 ，
17、 為 了實現 自旋電子 原件的 應用 ， 鐵磁 半導體 的發 展 ， 一直是很 重要的 課題 。 在 一 般鐵磁半 導體中 ，鐵磁性 的產生 ，是源 自於磁性 原子的 摻雜， 如 Mn doped GaAs 、 Mn doped ZnO 或者是 Mn or Fe doped TiO 2 等。 新型 態的鐵磁 半導體 ： Mn-doped LiZnAs 。 LiZnAs （ - - semiconductor ）是一個與 GaAs 相似的 半導體 ， 其 中 ， Li 1+ Zn 2+ 取代 Ga 3+ 在 GaAs 結構 中的角色 。鐵磁 性的產 生，是因 為 摻雜的 Mn 2+ 取代 Zn
18、2+ ， 因為這 是 相同價數的置換，因此可以得到高摻雜量（ Mn ）的鐵磁半導體 Li 1+y (Zn 1-x Mn x )As ，並且合成出 高穩定性 的塊材樣品。高的磁 性原子 摻雜量， 可以得 到高的 自旋極 化率。Renewable energy and Supercapacitor 可再生能 源是從 天然資 源，如 陽 光，風，雨，潮 汐 和 地 熱，這 是 可 再生能源 產生的 。 可 再生能 源技術 包括 太陽能發 電 ， 風力發 電 ， 水力 發電/ 微 水電，生 物質和 生物燃 料的運 輸 。生物質 ，是一 種可再 生的 有機物質 ， 並且 可以包 括從活 ， 或最 近 活
19、的有機 體 ， 如木材 ， 浪費和 酒精燃料 來源的 生物材 料。 開發更高性能的儲 電裝是 相當重 要 的研究課 題 。 另 外 ， 基於環 保 與綠色概 念的考 量 ， 新 一代的 儲能元 件 也必須同 時符合 製程低 耗 能 、 材料低污 染且可 回收 、 裝置 操作安 全 ， 且使用壽 命長的 要求 。 超高 電 容器是一 種功率 密度與 循環充 放電壽 命 性能優於 電池的 儲能元 件 ， 而 它也同時 擁有遠 高於傳 統電容 器的能 量 儲存密度 。 兼 備高能 量密度 與 高功率密 度之特 性使超 高電容 器在近 年 來越來越 受到矚 目與重 視 ， 其 應用範圍 相當廣 泛，包
20、 括：(1) 在電動 車上與電 池相配 合組成 複合電 源系統(hybrid power system) ， 以彌 補電 池功率不 足的缺 點 ；(2) 作為 3 C 或醫療產品的高 功率電 源系統 ；(3) 作為備用 電力的 儲存系 統； (4) 作為記憶 保護裝 置；(5) 作為燃 料電 池的啟動 裝置等 。 根據儲能 機構的 不同 ， 超高 電容器可 分 為兩大類 ， 分 別為電 雙層 電容器(double layer capacitor) 以 及擬電 容器(pseudo-capacitor) 。 後 者主 要利用電 極活性 材料於 電解液 中發生 氧 化還原電 化學反 應以儲 存能 量
21、，具備 多種可 變換化 合狀態( 或價 數) 是電極材 料的基 本需求 。氧化 釕因具有 多種價 態 ， 且 在適當 的電位 窗 範圍內 ， 可以快 速地進 行法拉 第電荷轉 移 ， 如此的氧 化 、 還原反應 ， 迅速地發 生於整 個電極 ， 且是 一連串地 連續進 行 ， 而釕 金屬在約 1V 的電位窗 範圍內 變化為 不同的 價數 。 嘗試在 貴金屬 氧化物 中摻雜 其他 異種氧化 物或是 開發成 本較低 廉的金屬 氧化物 材料 ， 例如 ： 氧化錳 。 在 目前超高 電容器 的改良 方面 ，除了新材 料的開 發（例 如：氧 化錳、 氧 化鐵、氧 化鈷、 氧化鎳 等）， 另外就是 提高電
22、 極的表 面積。 最常使 用 的方式是 利用(1) 陽 極氧化 鋁 製備具有 奈米線 規則排 列的電 極材料 及(2) 將金 屬氧化 物直接 披覆在 奈米碳管 上製備 成電極 。 另外 也發現 除 了電極材 料本身 特性之 外 ， 電 解液的選 用是另 一項影 響超高 電容器 儲 能性質的 關鍵因 素 。 因 此，尋 求一種更 適當的 電解液 ， 對 於開發 更高 性能超高 電容器 是十分 重要的 關鍵課題 。 金 屬氧化 物系列 超高電 容器 材料具有 優異的 性能與 深厚的 發展潛力 。 四、 心得 在緊密的 演講-壁 報討論 節目下 ， 收 獲甚多。這 次 的 薄膜 科學與 技 術國際會 議 共有 國內近 20 人學 者參加 ， 除帶回本 會議的 摘要集 ，另 在會中收 集了許 多相關 於目前 所進行 研 究領域的 研究成 果 ， 由於國 內 從事於薄膜 科學 之學者 人數眾 多 ， 而 相 關的研究 與應用 ， 在國 際上亦 十分地重 要，可 有助提 升國內 薄膜 科學 應用的研 究水準 。
