米科技暨电子材实验室

研究方向：奈米科技、電子材料、薄膜工程、固態物理研究重點：1)太陽電池、2)鋰電池、3)氣體感測器指導老師：施仁斌教授太陽電池示意圖鋰電池示意圖氣體量測系統示意圖pumpContrKeithleyAHO奈奈奈米米米科科科技技技暨暨暨電電電子子子材材材料料料實實實驗驗驗室室室研究重點：1)太陽電池原理：太陽能電池是以pn半導體接面作為光吸收及能量轉換的主體結構。在基板上分別塗上二種具不同導電性質的p型半導體及n型半導體，當太陽光照射在pn接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產生電洞。透過p型半導體及n型半導體分別吸引電洞與電子，把正電和負電分開，在pn接面兩端因而產生電位差。在導電層接上電路，使電子得以通過，並與在pn接面另一端的電洞再次結合，電路中便產生電流，再經由導線傳輸至負載。從光產生電的過程當中可知，薄膜太陽能電池的能量轉換效率，與材料的能隙大小、光吸收係數及載子傳輸特性攸關，因此就提升轉換效率的研發方向上，往往也從材料選用、鍍膜方面著手。太陽能電池發電原理薄膜式太陽能電池應用面:太陽能電池可當作可攜式電源的良好選擇，例如將太陽能電池貼附在車頂、車窗上，可以做為混合動力車的輔助電力，增加電池續航力，也可用於飛機、船隻上，以降低油料使用。另一方面，太陽能電池可用於居家設計中，例如:用於建築物之屋頂上，並可以依屋頂形狀製作，甚至在建築前即與屋頂相互結合為一。而除在屋頂裝設之外，更可應用在建築物的表面，例如將建築物的外牆或玻璃貼附上透明薄膜太陽能電池，就可有效增加太陽能電池面積達數倍之多。其他應用上，可製作成太陽能手機、筆記型電腦、太陽充電器或無線電通訊器材等，可減少戶外活動時許多裝備的重量。研究重點：2)鋰電池原理：陽極LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-陰極6C+xLi++xe-LixC6全反應6C+LiCoO2LixC6+Li1-xCoO2當充電時由外界輸入能量﹝電能﹞，鋰離子由能量較低的正極材料被趕往負極材料中而成為能量較高的狀態。進行放電時，鋰離子自然地由能量較高的負極材料移往能量較低的正極材料而對外釋放能量﹝電能﹞。另外，從全反應式中也可瞭解到整個反應過程中沒有鋰金屬的存在，因此稱之為鋰電池。應用面：由於科技之日新月異，攜帶式能源需求供應角色日趨重要且大幅成長，如近年來各種薄型筆記電腦、行動電話、數位相機、個人數位助理(PDA)、攝錄影機、迷你光碟機、掌上型終端機及攜帶式3C電子產品等等，鋰離子電池已成為上述產業不可缺乏之能源供應材料。研究重點：3)氣體感測器原理：金屬氧化物氣體感測材料在偵測氣體時，電阻會產生變化。此情況主要導因於偵測還原性或氧化性氣體，如氫氣(H2)及氧氣(O2)會與吸附在半導體氧化物且帶負電荷的氧離子產生反應。在N型金屬氧化物中，這些被吸附的氧在金屬氧化物晶粒表面形成一空間電荷區域，導致電子的轉移使表面形成一電子空乏層。電子空乏層的厚度為覆蓋在晶粒表面的氧及電子濃度的函數，當電子從一晶粒至另一晶粒必需穿過空乏層方可導電。由於能障的關係，N型金屬體氧化物的電阻在空氣中會較高。而當N型金屬氧化物於高溫時暴露在含有還原性氣體氣體的氣氛中，被吸附的氧會隨著與還原性氣體反應逐漸被消耗。半導體氧化物表面氧離子的減少使被氧捕獲的電子重回到晶粒，此一過程導致能障高度的降低，亦即導致電阻的降低，此現象可作為金屬氧化物氣體感測器的量測參數，因此，N型金屬氣體感測器之靈敏度S可定義為：其中Rair為感測器在空氣中的電阻，Rgas為在還原性氣體中的電阻。若，N型金屬氧化物感測器當置於含氧化性氣體的氣氛中，此類氣體以化學吸附在晶粒表面，使移動電子的數目減少，其感測之電阻增加。此時，我們定義靈敏度S為：反之，在氧化性氣體氣氛中，金屬氧化物感測之電阻值下降，則稱為P型金屬氧化物。因此，決定半導體金屬氧化物為N型或P型行為完全決定於其所偵測氣體之性質而定。亦即，在還原性氣體中電阻下降為N型行為，而在還原性氣體中電阻上升時為P型行為。應用面：本研究是利用氧化鋁模板輔助成長金屬氧化物奈米線作為氣體感測器及其偵測氣體反應，因製備技術有別於傳統半導體製程，及其元件架構微小化，故體積較小易於攜帶，因其氣體感測單元奈米化，所以靈敏度較高及反應時間較短；然而市面上之氣體感測器(GasSensor)大多應用於安全監控用途之工業毒氣監測，以及食品業來做為品質管理，且體積大，攜帶不方便、反應時間需較長，靈敏度不高及價格昂貴，未來，此元件可希冀應用進行前瞻性應用於醫療上之疾病檢測，即為電子鼻(Electronic-nose)。電子鼻(Electronic-nose)是模擬人類嗅覺的一項前瞻性技術，人類嗅覺的產生是當氣體分子附著於鼻腔黏膜之後，經由擴散至上皮層中的嗅覺細胞受體上，再進一步啟動嗅覺細胞的酵素連鎖反應，促使細胞膜之電位改變而產生訊號，接著傳遞到大腦做出反應，然而電子鼻分辨氣味之方法，則是利用氣體電子感測器代替人體的嗅覺細胞，作為氣體感測的基本單元；目前，電子鼻(Electronic-nose)在醫療領域最具有潛力的應用為疾病檢測，因體內酵素及新陳代謝變異，故由口中呼出的氣體分子與常人有所差異，藉由呼出氣體的氣味分子辨識，即可最為疾病診斷之工具。pumpControlPCKeithley2400ArH2O2