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研究生： 吳念芳
論文名稱： 利用高熵合金粉末製備奈米線之研究
Fabrication of Nanowires via High-Entropy Powders
指導教授： 林樹均
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： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 90
中文關鍵詞： 奈米線 、高熵合金
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    • 本研究是以熱蒸發法成長奈米線，創新利用多元高熵合金成長奈米線。先將AlCrFeNiSiTiZr七元高熵合金塊材製備成粉末狀，置於管式爐中加熱，並通入Ar + 10 ％ H2的催化氣體以利於成長。
    實驗結果得知利用高熵合金粉末的確可以成長出奈米線，而且氧化鋁或矽基板和高熵粉末顆粒表面都可能當作成長位置。其中經由950 ℃與1350 ℃的兩階段升溫過程、催化氣體流量100 sccm的製程條件後，在粉末顆粒表面成長出具有Al、Si、O之三元成份的奈米線，直徑約40 nm，長約5 μm。經由HRTEM分析得知，在SEM下觀察到的不平坦表面形態，是因SiOx非晶外層螺旋纏繞包覆α-Al2O3單晶主軸所造成，此一結構特別的Al2O3/SiOx奈米線為本實驗所創新發現。
    此外，PL量測結果發現此種Al2O3/SiOx奈米線在光譜圖中發現有2個峰值，分別為500 nm(藍綠光)和662 nm(黃光)。場發射量測結果顯示產生之電流密度大約在μA/cm2等級，起始電場(E0)大約介於3.7 ∼ 4.0 V/μm之間。基於此兩種性質，可望在發光及場發射元件上有發展的潛力。

    摘要………………………………………………………………………Ⅰ目錄………………………………………………………………………Ⅱ 圖目錄……………………………………………………………………Ⅴ 表目錄……………………………………………………………………Ⅹ 一、前言………………………………………………………………….1 二、文獻回顧…………………………………………………………….3 2.1奈米科技………………………………………………………………3 2.2一維(one dimensional, 1-D)奈米材料……………………………4 2.3奈米線的製備…………………………………………………………5 2.3.1氣-液-固機制(VLS機制) …………………………………………6 2.3.2氧化物輔助成長……………………………………………………8 2.3.3氣-固機構(VS機構) …………………………………………….11 2.4氧化鋁奈米線……………………………………………………….12 2.5高熵合金…………………………………………………………….14 2.5.1開發背景………………………………………………………….14 2.5.2高熵合金的特點………………………………………………….15 2.6光激發螢光( photoluminescence, PL )原理……………………18 2.7電子場發射原理…………………………………………………….20 三、實驗步驟……………………………………………………………34 3.1合金組成及實驗流程……………………………………………….34 3.2合金配製、熔煉…………………………………………………….34 3.3合金粉末配製……………………………………………………….35 3.4奈米線的製備……………………………………………………….35 3.5微結構分析………………………………………………………….36 3.5.1掃描式電子顯微鏡……………………………………………….36 3.5.2穿透式電子顯微鏡……………………………………………….36 3.6成份分析…………………………………………………………….37 3.7性質量測…………………………………………………………….37 3.7.1光激發螢光性質量測…………………………………………….37 3.7.2場發射性質量測………………………………………………….38 四、結果與討論…………………………………………………………48 4.1合金組成…………………………………………………………….48 4.2實驗參數之結果…………………………………………………….49 4.2.1溫度參數………………………………………………………….49 4.2.2流量參數………………………………………………………….50 4.3奈米線的微結構…………………………………………………….52 4.3.1 SEM分析………………………………………………………….52 4.3.2 TEM分析………………………………………………………….53 4.4奈米線的成份……………………………………………………….54 4.5成長機制…………………………………………………………….57 4.6 PL性質………………………………………………………………58 4.7場發射性質………………………………………………………….59 五、結論…………………………………………………………………85 六、未來研究方向………………………………………………………86 七、參考文獻……………………………………………………………87 圖 目 錄 圖2-1 (a) VLS奈米線成長機制，包含三個階段(Ⅰ)合金化、(Ⅱ)成核、(Ⅲ)軸向成長。將這三個成長階段對應至金-鍺二元相圖(b)，顯示成份及相的變化。………………………………………….24 圖2-2 鍺奈米線成長過程所記錄的TEM影像。(a) 500 ℃時固態顆粒；(b) 800 ℃時合金化開始，在這個階段金仍然是固態；(c)金/鍺液相合金；(d)鍺奈米晶開始在合金表面成核；(e)隨著更多的鍺凝結，鍺的奈米晶開始延長最後形成奈米線(f)。…………………….25 圖2-3 氧化物輔助成長矽奈米線的成核及成長機制，圖中的平行線為<112>指向。………………………………………………………….26 圖2-4 氧化物輔助奈米線成長過程的TEM影像，(a)-(c)為矽奈米線 的成核階段。……………………………………………………………27 圖 2-5 直接能隙與間接能隙之能帶示意圖，( a )、( c )直接能隙能帶圖；( b )、( d )間接能隙能帶圖。其中( a )、( b )表示吸收現象； ( c )、( d )表示發光現象。……………………………….31 圖 2-6 ( a ) GaAs之能帶圖與( b ) Si之能帶圖。………………32 圖 2-7 雜質存在造成能帶結構改變。………………………………32 圖 2-8 金屬-真空系統場發射示意圖。…………………………….33 圖3-1 實驗流程圖。………………………………………………….41 圖3-2 真空電弧熔煉爐示意圖。…………………………………….42 圖3-3 真空高溫熱處理爐之示意圖。……………………………….43 圖3-4 樣品位置示意圖。…………………………………………….44 圖3-5 兩階段升溫曲線。…………………………………………….44 圖3-6 光激發螢光光譜儀裝置示意圖。…………………………….45 圖 3-7 網印之圖形。…………………………………………………46 圖 3-8 場發射量測流程圖。…………………………………………46 圖3-9 場發射量測裝置示意圖。…………………………………….47 圖4-1 原始的AlCrFeNiSiTiZr塊狀合金的XRD圖。…………………61 圖4-2 原始的AlCrFeNiSiTiZr塊狀合金的微結構(a)低倍率 (b)高倍 率。………………………………………………………………61 圖4-3 原始的AlCrFeNiSiTiZr七元高熵粉末的SEM圖(a)低倍率 (b)高倍率。…………………………………………………………………62 圖4-4 樣品位置示意圖( 一 )。…………………………………….63 圖4-5 ㄧ階段升溫曲線。…………………………………………….63 圖4-6 大氣氣氛下且爐內壓力維持在1.1 torr，Si基板上成長情況。 ( a )、( b )為850 ℃；( c )、( d )為900 ℃；( e )、( f )為950 ℃的製程溫度。………………………………………….64 圖4-7 大氣氣氛下且爐內壓力維持在1.1 torr，製程溫度為1000 ℃ 時Si基板上成長情況。…………………………………………….65 圖4-8 大氣氣氛下且爐內壓力維持在1.1 torr，製程溫度為1050 ℃時Si基板上成長情況。…………………………………………………66 圖4-9 1000 ℃、流量30 sccm製程條件下，Si基板上奈米線的成長情況。( a )、( b )上視圖，( c )、( d )、( e )側視圖。…….67 圖4-10 1100 ℃、流量30 sccm 製程條件下，Si基板上奈米線的成長情況。( a )、( b )上視圖；( c )、( d )側視圖。……………68 圖4-11 樣品位置示意圖( 二 )。………………………… ……….69 圖4-13 1150 ℃、流量100 sccm製程條件下，粉末上成長之奈米線的SEM圖。……………………………………………………………….70 圖4-14 1200 ℃、流量100 sccm製程條件下，( a ) - ( d )氧化鋁薄板上成長之奈米線的SEM圖；( e )粉末上成長之奈米線的 SEM圖。………………………………………………………………………71 圖4-15 1250 ℃、流量100 sccm製程條件下，氧化鋁薄板上成長之奈米線的SEM圖。……………………………………………………….72 圖4-16 1300 ℃、流量100 sccm製程條件下，粉末上成長之奈米線的SEM圖。……………………………………………………………….73 圖4-17 1300 ℃、流量100 sccm製程條件下，粉末上成長之奈米線的TEM圖。……………………………………………………………….74 圖4-18 經1350 ℃、流量100 sccm 、持溫1小時成長之奈米線的 SEM圖，( a )低倍率 ( b )高倍率。…………………………………75 圖4-18 經1350 ℃、流量100 sccm 、持溫1小時成長之奈米線的SEM圖，( c )、( d )更高倍率。…………………………………………76 圖4-19 經1350 ℃、流量100 sccm 、持溫1小時成長之奈米線的TEM 影像。( a )倍率150K ( b )倍率200K ( c )為( b )所對應的選區繞射圖。………………………………………………………………77 圖4-20 經1350 ℃、流量100 sccm、持溫1小時成長之奈米線的 HRTEM影像，( b )為( a )圖中正方形區域的放大圖。…………….78 圖4-21 經1350 ℃、流量100 sccm 、持溫1小時成長之奈米線的雙晶影像，( b )為( a )圖中正方形區域的放大圖。…………………79 圖4-22 經1350 ℃、流量100 sccm 、持溫1小時成長之奈米線的EDS結果。表中為兩根不同的奈米線成份的原子百分比。………………80 圖4-23 Al2O3/SiOX奈米線的線掃描結果( a )橫向掃描 ( b )縱向掃描 成長條件: 1350 ℃、流量100 sccm、持溫1小時。…………81 圖4-24 ( a )六方最密堆積結構( b )α-Al2O3 的單位晶胞( c )α-Al2O3沿著Z軸的原子層順序( d )α-Al2O3的原形晶胞。………….82 圖4-25 Al2O3/SiOX奈米線的PL圖。成長條件: 1350 ℃、流量100 sccm 、 持溫1小時。………………………………………………….83 圖4-26 Al2O3/SiOX奈米線的field emission結果。( a ) J vs. E作圖 ( b ) ln( I/V2 ) vs. 1/V作圖。……………………………84 表 目 錄 表2-1 無機奈米線系統和其製備方法。…………………………….28 表2-1 無機奈米線系統和其製備方法(續頁)。…………………….29 表2-2 目前α-Al2O3ㄧ維奈米結構的研究。……………………….30 表3-1 合金元素特性列表。………………………………………….40

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