奈米新知--氧化鋅奈米線與鋯鈦酸鉛構成的光致熱效應電晶體

近年來一維奈米線(nanowire)在奈米結構電晶體的組成上有很重要的貢獻。尤其對於奈米碳管(carbon nanotube)和氧化鋅奈米線(ZnO nanowire)的應用已有頗為廣泛的研究。其中，氧化鋅奈米線具有一些極佳的特性，譬如在室溫時具有很寬的能隙。近幾年來科學家更發現氧化鋅奈米線的壓電性質(piezoelectricity)，這些特性已經應用在各奈米應用領域中，如場效電晶體 (FET)、發光二極體(LED)、奈米發電機和光譜偵測器等。此外，具有方向性電偶極的鐵電材料如鋯鈦酸鉛((PbZr_0.3Ti_0.7)O₃, PZT)，在經由外加閘極電壓的控制之下，也已經被應用在非揮發性場效電晶體的記憶功能上。除此之外，PZT 同時是一種焦電(pyroelectric)物質，這意味著其內部電極化方向除了外加電場之外有關之外，也可以經由溫度的變化而控制。

台灣大學物理學系陳永芳教授研究團隊利用上述兩種材料的卓越特性製作出了一種單根氧化鋅奈米線與鋯鈦酸鉛構成的光致熱效應電晶體。研究團隊發現，經由紅外線(IR)雷射的照射之下，由於光致熱(optothermal)效應，單根氧化鋅奈米線內部的汲極電流可以藉由照光加熱而加以調變。

光致熱效應電晶體運作原理如下：研究團隊以波長為1064 nm的紅外雷射作為照光加熱的來源。當紅外雷射照射放置在鋯鈦酸鉛上的氧化鋅奈米線時，汲極電流會因底部基底鋯鈦酸鉛內電偶極方向的不同以及雷射的照射與否，而有增加或減少的現象。舉例來說，當n型的氧化鋅奈米線建置在具有電偶極朝上的鋯鈦酸鉛表面時，鋯鈦酸鉛內層表面的束縛正電荷會吸引更多的電子載子在氧化鋅奈米線內。一旦鋯鈦酸鉛照射到紅外線雷射，溫度的上升降低了內部的電偶極的排列，進而減少了內層表面束縛的正電荷。結果降低氧化鋅奈米線內的傳輸電子，因此可以觀測到電流減少的現象。相反地，當紅外雷射照射到電偶極朝下的鋯鈦酸鉛時，混亂的電偶極排列會使內層表面束縛的電子減少，導致氧化鋅奈米線內傳導電子的增加，因此照入雷射時可以觀測到電流增加的現象。

光致熱效應電晶具有許多優點，其中已為人所知的是當氧化鋅奈米線受到紫外波段的光照射時會產生光電流。這是因為紫外光能激發氧化鋅奈米線產生電子電洞對，這額外激發出來的電子變成為光電流的來源。因此結合紫外光照射氧化鋅奈米線產生光電流的特性和利用紅外線加熱鋯鈦酸鉛調控電流的原理，這個光致熱電晶體非常適合作為光控制元件或遠端遙控裝置。詳見Nanotechnology｜doi:10.1088/0957-4484/23/35/355201。
撰文/譯者:謝俊儀(台灣大學物理研究所)
責任編輯:劉家銘

研發團隊:國立台灣大學物理系陳永芳教授實驗室

原始網站: http://nano.nchc.org.tw/