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研究生: 黃明鴻
論文名稱: 以原子力顯微術製作鎳奈米點並應用於選區成長氧化矽奈米線
Fabrication of Nickel Nanodots by Atomic Force Microscopy and Its Application to the Selective Growth of Silica Nanowires
指導教授: 林鶴南
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 53
中文關鍵詞: 原子力顯微術氧化矽奈米線
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  • 原子力顯微術近來應用在奈米微影技術上,有很大的潛力。其中原子力顯微術奈米加工(AFM nanomaching)有很多優點,像是可方便操作於任何基板、具有奈米級解析度等等。在製作奈米元件和奈米結構上,已經有相當多的相關研究。
    本實驗利用原子力顯微術在單層光阻上,用探針在光阻上面打洞,接著用電子束蒸鍍鍍上一層鎳,最後將試片放到丙酮之中將PMMA去除,觀察到最小的鎳金屬奈米點約70 nm。
    將試片放進快速升溫退火爐中加熱,並且通入Ar加H2的混合氣體,選區成長出均勻直徑的奈米線。藉由EDS的分析,得知奈米線的組成是矽和氧。另外在奈米線的頂端,發現有奈米顆粒的存在,表示奈米線成長遵循VLS機制。此外,在不同的參數下,我們成功做出了直線和螺旋狀的氧化矽奈米線。


    Atomic force microscopy (AFM) has recently demonstrated a great potential in the domain of nanolithography. Particularly, AFM nanomachining has many advantages, such as easy operation on any substrates, nano scale resolution etc. There are already many related research activities on the fabrication of nano scale components and structures.
    We have employed AFM nano-machining to produce nanogroove nanostructures by operating a tip on a single-layer resist. A Ni thin film was coated on the substrate by e-beam evaporation. The sample was finally soaked in acetone to remove PMMA. A minimum Ni nanodot width of about 70 nm was obtained.
    Then the sample was put into a rapid thermal annealing furnace with gas flow of Ar and H2 mixture. Finally, the selective growth of silica nanowires with uniform diameter was achieved. By EDS analysis, the compositions of the silica nanowires were confirmed to be silicon and oxygen. On the top of the nanowires, nanoparticles were found and indicated a vapor-liquid-solid growth mechanism. By controlling the growth parameters, both straight and helical nanowires were successfully produced.

    目 錄 中文摘要………………………………………………………………………I 英文摘要……………………………………………………………………...II 致謝………………………………………………………………………..…III 目錄…………………………………………………………………………..V 圖目錄……………………………………………………………………….VIII 表目錄……………………………………………………………………..…X 第一章、簡介 1 1.1 原子力顯微術奈米微影………………………………………………..1 1.2 氧化矽奈米線………...….……………………………………………..2 1.3 實驗目的………………………………………………………………..4 第二章、文獻回顧 5 2.1 原子力顯微術奈米微影………………………………………………..5 2.1.1奈米氧化(nano-oxidation)………………………………………6 2.1.2 場發電子束曝光法(Field-Emitted Electron Exposure)………..7 2.1.3 AFM機械力微影(AFM nanomachining)……………………..7 2.2 氧化矽奈米線…………………………………………………………. 9 2.2.1 成長機制………………………………………………………...10 2.2.1.1 VLS 機制………………………………………………..10 2.2.1.2 SLS 機制………………………………………………...11 2.2.1.3 VS機制……………………………………………….…..12 2.2.2 製備方法………………………………………………….………13 2.2.2.1 雷射剝離法(laser ablation)………………….….…….13 2.2.2.2 化學氣相沉積法…………………………………….…...14 2.2.2.3 熱蒸發法…………………………………………………14 2.2.2.4 模板法(template model)……………………………...14 2.2.3 氧化矽奈米線的形貌…………………………………………….15 2.2.4 發光機制………………………………………………………….20 2.2.5 氧化矽奈米線的應用…………………………………………….20 第三章、實驗儀器與步驟 22 3.1 實驗儀器…………………………………………………………………..22 3.2 實驗步驟…………………………………………………………………..23 3.3 原子力顯微術……………………………………………………………..25 3.4 分析儀器…………………………………………………………………..26 第四章、結果與討論 27 4.1 金屬鎳奈米點陣列……………………………………………………......27 4.1.1試片製備……………………………………………………………27 4.1.2奈米點陣列…………………………………………………………28 4.2選區成長單點單根氧化矽奈米線………………………………………...31 4.3 EDS成分析………………………………………………………………..34 4.4奈米線光譜分析…………………………………………………………...36 4.5 TEM 分析…………………………………………………………...……..38 4.6不同成長型態的氧化矽奈米線…………………………………………...40 4.7不同時間成長的氧化矽奈米線…………………………………………...46 第五章、結論 48 第六章、參考文獻 50 圖目錄 圖1-1:利用鎵當催化劑,不同溫區所得到的不同型態奈米線………………..3圖1-2:VLS機制………………..…………………………………………………...3 圖2-1:利用AFM探針在p-Si (001)表面氧化得到的氧化矽奈米點……………..7 圖2-2:lift-off過後利用AFM所掃瞄得到的影像,點大小20到40 nm…………8 圖2-3:利用in-situ TEM 觀察Ge 奈米線在金顆粒上面的成長……………......11 圖2-4:(a)為利用AAO基板合成奈米線;(b)為合成得到的氧化矽奈米線 ……………………………………………………………………………………….15 圖2-5:(a) 利用TEM觀察電子束對奈米線的影響;(b)利用AFM在奈米彈簧上做推移的動作,顯示彈簧具有彈性………………………………………….16 圖2-6:BC奈米線的TEM圖,顯示奈米線和奈米彈簧之間有催化劑的存在..17 圖2-7:非對稱成長模式示意圖…………………………………………………...17 圖2-8:具單晶結構的BC奈米線和非晶質的BC奈米彈簧……….……….…..19 圖2-9:下框為SEM影像,上框為氧化矽奈米線通入光之後的光學顯微鏡影像………………………………………………….………………….…………..….21 圖3-1:實驗流程圖…………………………………………………………….…..24 圖3-2:AFM示意圖………………………………………………………….….....25 圖4-1:矽基板上PMMA的表面形貌……………………………………….……27 圖4-2:利用AFM得到的表面形貌,白色部分為pile-up……………………….29 圖4-3:金屬鎳奈米點陣列的SEM影像………………………………………….30 圖4-4:(a)(c)為成長之前的點陣列;(b)(d)為成長之後的SEM影像…..32 圖4-5:在鎳薄膜所生長的氧化矽奈米線…………………………………………33 圖4-6:氧化矽奈米線成分分析…………………….……………………………..34 圖4-7:對於奈米線頂端球狀物進形成份分析……………………………….…..35 圖4-8:利用RTA成長的氧化矽奈米線……………………………….……...…..37 圖4-9:Photoluminescence光譜………………………………………….……..…37 圖4-10:TEM分析圖……………………………………………….……………...38 圖4-11:TEM分析沒有看到繞射點的存在,顯示這是非晶質的結構…….…...39 圖4-12:在壓力150 torr,溫度1100℃成長30分鐘的氧化矽奈米線……….…40 圖4-13:生長壓力在150 torr所成的的奈米彈簧SEM圖………………….……41 圖4-14:在200 torr下所成長的氧化矽奈米線,呈現直線狀況…………………41 圖4-15:在200 torr下成長的氧化矽奈米線………………………………………42 圖4-16:由SEM圖可知直徑大約為20 nm………………………………………42 圖4-17:在1100℃,成長壓力150 torr所得氧化矽奈米線……………………..43 圖4-18:退火過後的奈米點SEM圖;(b)為(a)放大,直徑約63 nm……...43 圖4-19:退火後的試片所長出的奈米彈簧………………………………………..44 圖4-20:在薄膜上所看到的SEM影像,都有少許的奈米彈簧…………………45 圖4-21:頂端奈米顆粒對奈米線直徑比例(a)1.66、(b)1.57………………..45 圖4-22:不同成長時間所對應的奈米線長度。由(a)到(e)成長時間 為五分、六分、六分十五秒、六分三十秒、七分,對應長度分別為144、285、500、1000、2000 nm………………………………………………46 圖4-23:將圖4-21整理成一個曲線,得到奈米線的成長速率…………………47 表目錄 表4-1:對應不同根的奈米線所得到的成分分析,得到平均矽氧比1:1.6…...39

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