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研究生： 徐英明
Ing-Ming Hsu
論文名稱： 以微波加熱化學氣相沉積法在鈉玻璃基板上成長奈米碳管之研究
Study on carbon nanotubes grown on sodalime glass by microwave heating chemical vapor deposition
指導教授： 黃金花
Jin-Hua Huang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 光電科技產業研發碩士專班
Interdisciplinary Program of Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 126
中文關鍵詞： 奈米碳管 、場發射
外文關鍵詞： Carbon Nanotube, Field Emission
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    • 奈米碳管具有低啟始電場和高電流密度的特性，比以往所用之鉬金屬更適宜作為場發射顯示器(Field Emission Display, FED)的發射材料。本實驗目的是於較低碳氫熱裂解溫度下，在玻璃陰極基板上獲得成長密度適中、直立方向性佳及場發射特性良好的奈米碳管，以符合場發射顯示器的需求。
    本研究係以微波加熱化學氣相沉積法(Microwave-Heated Chemical Vapor Deposition:MH-CVD)，在鎳觸媒未經前處理情況下，通入甲烷氣體，於一大氣壓下，直接在玻璃基板上成長直立性良好的多層壁奈米碳管。對於選區定址成長碳管通入碳源前之程序，係利用BOE蝕刻鈉玻璃基板，並以表面輪廓儀(α-stepper)量測玻璃被蝕刻的深度，接著以半導體黃光製程製作陣列式微圖案，並使用E-gun蒸鍍機將鉻電極層、鈦緩衝層及鎳觸媒層依序蒸鍍於玻璃基板上。成長後的碳管，以場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)做微結構觀測分析，以拉曼光譜分析其結晶性，最後並以Keithley 237對碳管進行場發射特性量測。
    有關本實驗鎳觸媒膜厚度、加熱溫度、無定型碳覆蓋比例，以及碳管成長密度等對碳管場發射性能的影響，已於文中闡述。此外，比較當前最新文獻發表有關利用CVD於鈉玻璃基板成長碳管的場發射量測結果，本實驗各批次奈米碳管電流密度達1 mA/cm^2所需之電場大小約為5 V/μm，與文獻量測結果相當。本實驗碳管成長溫度530度C，雖較文獻具最佳場發射特性之碳管成長溫度480度C高，但本實驗製程成本較低且無需繁複的製作程序，故仍可提供做為成長奈米碳管場發射子的另項參考。

    目錄 摘要 I 誌謝 II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1簡介 1 1. 2 奈米碳管的特性 2 1.3研究動機與目的 5 第二章 文獻回顧 7 2.1.奈米碳管成長製備方法 7 2.1.1電弧放電法(Arc Discharge) 7 2.1.2雷射剝蝕法(Laser Ablation) 8 2.1.3 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition) 9 2.1.3.1熱裂解化學氣相沉積法(Thermal Chemical Vapor Deposition) 10 2.1.3.2微波加熱化學氣相沉積法(Microwave-heated Chemical Vapor Deposition) 13 2.1.3.3電漿輔助化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 15 2.2 奈米碳管成長機制 17 2.3 拉曼光譜(Raman spectrum)在奈米碳管上的應用 19 2.4場發射 22 2.4.1場發射原理 22 2.4.2場發射電性數學關係式之推導 23 2.4.3奈米碳管的場發射特性及影響因素 25 2.4.3.1成長溫度的影響 26 2.4.3.2金屬觸媒厚度的影響 28 2.4.3.3碳管準直性的影響 29 2.4.3.4碳管直徑、長度及密度的影響 30 2.4.3.5退火溫度的影響 37 2.4.4奈米碳管的應用 37 第三章 研究方法與實驗程序 43 3.1研究方法 43 3.2實驗程序 45 3.2.1玻璃基板之清潔 45 3.2.2 Ni/Ti/Cr/Glass基板上成長奈米碳管 45 3.2.3二極式黃光微影Ni/Ti/Cr/Glass基板上選區成長奈米碳管 46 3.2.3.1玻璃基板無需BOE蝕刻 46 3.2.3.2玻璃基板需BOE蝕刻 47 3.2.4利用微波加熱化學氣相沉積系統成長奈米碳管 48 3.3分析方法與量測儀器 50 3.3.1場發射掃瞄式電子顯微鏡FE-SEM分析 50 3.3.2拉曼光譜分析(Raman spectroscopy) 51 3.3.2.1拉曼光譜儀裝置 51 3.3.3場發射性能量測 51 3.3.4表面輪廓儀(α-stepper) 52 第四章 實驗結果與討論 53 4.1鈉玻璃基板上直接成長奈米碳管 53 4.1.1相同鎳觸媒厚度6 nm時，不同加熱溫度與時間對奈米碳管之影響 53 4.1.2相同加熱溫度5300C，改變鎳觸媒厚度對奈米碳管之影響 79 4.2鈉玻璃基板上黃光微影選區直接成長二極式奈米碳管 91 4.2.1 Ni 6 nm/Ti 40 nm/Cr 300 nm /Glass基板，5000C，加熱32 min 91 4.2.2 Ni 8 nm/Ti 40 nm/Cr 300 nm /Glass基板，5000C，加熱42 min 92 4.3 BOE蝕刻鈉玻璃基板上黃光微影選區直接成長二極式奈米碳管 97 4.3.1 Ni 6 nm/Ti 40 nm/Cr 300 nm /Glass基板，5000C，加熱32 min 97 4.3.1.1 BOE蝕刻 2 min 97 4.3.1.2 BOE蝕刻 4 min 98 4.3.1.3 BOE蝕刻 8 min 98 4.3.1.4 BOE蝕刻 12 min 99 4.3.2 Ni 8 nm/Ti 40 nm/Cr 300 nm /Glass基板，5000C，加熱42 min 99 4.3.2.1 BOE蝕刻 2 min 99 4.3.2.2 BOE蝕刻 4 min 100 4.3.2.3 BOE蝕刻 8 min 100 4.3.2.4 BOE蝕刻 12 min 100 第五章 結論 115 5.1碳管準直性 115 5.2鎳膜厚度對成長奈米碳管的影響 115 5.3加熱溫度對奈米碳管的影響 115 5.4無定型碳覆蓋比例對奈米碳管的影響 115 5.5碳管成長密度與場發射性能的關係 116 5.6碳管場發射性能達到電流密度1 mA/cm2所需之電場 116 參考文獻 118 附錄一 本實驗微波加熱化學氣相沉積(MH-CVD)系統操作程序 122 附錄二 F-N plot數學關係式之推導 124

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