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研究生： 林煜尊
Yu-Zum Lin
論文名稱： 利用反應式射頻磁控濺鍍法合成大面積分佈氧化釕奈米線及其場發射性質研究
指導教授： 甘炯耀
Jon-Yiew Gan
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： 69
中文關鍵詞： 磁控濺鍍 、二氧化釕 、奈米線 、場發射 、奈米柱 、奈米結構 、一維 、單晶
外文關鍵詞： sputtering, RuO2, nanowire, field emission, nanorod, nanostructure, one dimension, single crystal
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    • 由於RuO2氧化物本身良好的物理與化學性質如導電性、化學安定性等等而引起廣泛研究與應用如鐵電電容的電極、催化劑與電化學電容方面領域。近年來奈米科技的進步讓學著們投注相當的心力在一維奈米材料的合成與應用而研究範圍包含半導體材料(如矽、鍺、三五族或二六族半導體)或是具功能性的氧化物材料(如氧化鋅、氧化鈦、氧化鎂)。雖然RuO2已經被研究許久，但在一維奈米材料的探討上卻寥寥可數。另一方面，一維奈米材料的製備技術有許多種，但至今仍未使用過濺鍍法來合成。本實驗利用反應式射頻磁控濺鍍的方式合成一維RuO2奈米結搆並且對於其場發射性質做進一步探討。
    實驗結果發現，成長一維RuO2奈米結構的最佳條件為在操作功率為20 Watt、基板溫度450℃、腔體壓力為10 mtorr、Ar/O2=10/10(sccm)。在此條件下能穩定的合成出均勻分佈的一維RuO2奈米結構，另外在實驗中也合成出大面積(4吋)均勻分佈的一維RuO2奈米結構。
    在場發射性質研究方面，隨著一維RuO2奈米線長度增長，無論是在起始電場(Eto)、閾值電場(Eth)以及射出電流等等都有明顯的改善，使得RuO2在場發射源材料領域應用上具有相當不錯的潛力。

    第一章 諸論 1 1-1 簡介………………………………………………………1 1-2 研究動機…………………………………………………2 第二章 文獻回顧 4 2-1 氧化釕(RuO2) 基本特性………………………………4 2-2 RuO2薄膜的應用………………………………………5 2-3 一維奈米結構氣相成長機制……………………………6 2-3-1氣相－固相成長( vapor-solid growth, VSG )……………7 2-3-2氣相-液相-固相成長(vapor-liquid-solid growth, VLSG)…9 2-3-3氧氣輔助成長( oxygen-assisted growth, OAG )…………10 2-4 RuO2奈米結構(nanorods, naowires)之相關研究……………10 2-5場發射原裡…………………………………………………………13 圖……………………………………………………………………16 第三章 實驗步驟及分析儀器原理 23 3-1實驗樣品準備………………………………………………………23 3-2鍍膜與分析儀器……………………………………………………23 圖…………………………………………………………………26 第四章 實驗結果與討論 28 4-1 RuO2奈米結構的成長…………………………………………… 28 4-1-1基板溫度效應………………………………………………28 4-1-2時間效應……………………………………………………29 4-1-3腔體壓力效應………………………………………………30 4-1-4 Ar/O2比效應…………………………………………………31 4-2 一維RuO2奈米線的微結構探討…………………………………33 4-2-1 RuO2的微結構鑑定及成分分析……………………………33 4-2-2 XPS化學鍵結分析…………………………………………34 4-2-3一維RuO2奈米結構的成長機制……………………………36 4-3 RuO2奈米線場發射性質量測……………………………………39 表圖…………………………………………………………………43 第五章 結論 65 參考文獻 66 圖表目錄 圖2-1 金紅石( Rutile )結構(a)平面圖(b)立體圖………………16 圖2-2以波林( Pauling )第二定則說明RuO2晶體中，Ru陽離子正4價且配位數為6，所以Ru原子的鍵結力為( +4 )÷6=+2/3……………17 圖2-3 以金－鍺為例說明VLS成長機制……………………………18 圖2-4 說明兩者( OAG與VLSG )機制的不同………………………18 圖2-5 (a－f)分別表示利用不同單晶基板所成長RuO2奈米結構的XRD圖。其中(a) LiNbO3( 100 )；(b) sapphire( 100 )；(c) sapphire( 001 )；(d) sapphire( 110 )；(e) sapphire( 012 )；(f) LiTaO3( 012 )…………………………………………………19 圖2-6 (a)及(b)表示在LiNbO3( 100 )與sapphire( 100 )上都能成長垂直基板的RuO2奈米桿而(a) 側視圖(b) 俯視圖；(c) 表示在sapphire( 001 )上成長的RuO2奈米結構為網狀；(d) 表示在sapphire( 110 )上成長的具有兩個方向RuO2奈米柱相互交疊；(f)及(e)表示在sapphire( 012 )及LiTaO3( 012 )上生成單一方向RuO2奈米桿而(f)俯視圖(e)側視圖……………………20 圖2-7 場發射平面顯示器( FED )示意圖……………………………21 圖2-8 奈米碳管作為陰極發射源材料………………………………21 圖2-9 在金屬表面電子能量圖………………………………………22 圖3-1 實驗流程圖……………………………………………………26 圖3-2 濺鍍系統裝置圖………………………………………………27 表4-1 不同長度RuO2奈米線場發射性質比較表……………………43 圖4-1在200℃下，濺鍍功率為20W、Ar/O2比為10/10(sccm)、濺鍍時間為2小時、工作壓力為10mtorr。 (a) RuO2薄膜(傾斜30°) (b) RuO2薄膜(側視)之SEM分析圖…………………………44 圖4-2在300℃下，濺鍍功率為20W、Ar/O2比為10/10(sccm)、濺鍍時間為2小時、工作壓力為10mtorr。 (a) RuO2薄膜(傾斜30°) (b) RuO2薄膜(側視)之SEM分析圖………….………………45 圖4-3在450℃下，濺鍍功率為20W、Ar/O2比為10/10(sccm)、濺鍍時間為2小時、工作壓力為10mtorr。 (a) RuO2薄膜(傾斜30°) (b) RuO2薄膜(側視)之SEM分析圖…….……………………46 圖4-4 固定功率為20 Watt、Ar/O2=10/10(sccm)、壓力為10 mtorr、濺鍍時間為2hr，在不同溫度下的XRD定性分析圖……………47 圖4-5在300℃下、固定功率為20 Watt、Ar/O2=10/10(sccm)、壓力為10 mtorr，改變不同濺鍍時間所得到表面型態變化(傾斜30°)SEM分析圖…………………………………………………48 圖4-6在450℃下，工作壓力為10 mtorr、濺鍍功率為20W、Ar/O2比為10/10(sccm)，分別為不同濺鍍時間下之SEM側視圖………………………………………………………………49 圖4-7 在450℃下，工作壓力為10 mtorr、濺鍍功率為20W、Ar/O2比為10/10，分別為不同濺鍍時間下之XRD分析圖…………50 圖4-8 在450℃下，濺鍍功率為20W、Ar/O2比為10：10、濺鍍時間為2小時。(a) 工作壓力為5 mtorr (b) 工作壓力為10 mtorr……………………………………………………………51 圖4-9 在450℃下，濺鍍功率為20W、Ar/O2比為10：10、濺鍍時間為2小時、工作壓力為5 mtorr與10 mtorr之RuO2奈米線XRD分析圖…………………………………………………………52 圖4-10 在450℃下，工作壓力為10 mtorr、濺鍍功率為20W、濺鍍時間為2 小時、Ar/O2比為20/0 (sccm) (a) Ru金屬薄膜(傾斜30°) (b) Ru金屬薄膜(側視)之SEM分析圖….………………53 圖4-11 在450℃下，工作壓力為10 mtorr、濺鍍功率為20W、濺鍍時間為2 小時、Ar/O2比為15/5 (sccm) (a) RuO2 表面型態(傾斜30°) (b) RuO2(側視)之SEM分析圖………………………54 圖4-12 在450℃下，工作壓力為10 mtorr、濺鍍功率為20W、濺鍍時間為2 小時、Ar/O2比為6/14 (sccm)(a) RuO2 表面型態俯視圖(b)側視圖……………………………………………………55 圖4-13 在450℃下，工作壓力為10 mtorr、濺鍍功率為20W、濺鍍時間為2 小時、不同Ar/O2比之XRD分析圖…………………56 圖4-14 固定功率為20 Watt、Ar/O2=10/10(sccm)、壓力為10 mtorr、濺鍍時間為2hr、溫度為450℃之一維RuO2奈米線及奈米趕TEM分析圖。(a) RuO2明場像及繞射圖(b) RuO2高分辨原子影像………………………………………………………………57 圖4-15 固定功率為20 Watt、Ar/O2=10/10(sccm)、壓力為10 mtorr、濺鍍時間為2hr、溫度為450℃之一維RuO2奈米線的XPS能譜圖(未經過30秒Ar離子清理表面)。(a) Ru之XPS能譜 (b) O之XPS能譜……………………………………………………58 圖4-16 固定功率為20 Watt、Ar/O2=10/10(sccm)、壓力為10 mtorr、濺鍍時間為2hr、溫度為450℃之一維RuO2奈米線的XPS能譜圖(經過30秒Ar離子清理表面)。(a) Ru之XPS能譜 (b) O之XPS能譜……………………………………………………59 圖4-17固定功率為20 Watt、Ar/O2=10/10、壓力為10 mtorr、溫度為600℃，在不同濺鍍時間下J-E場發射圖...................................60 圖4-18固定功率為20 Watt、Ar/O2=10/10、壓力為10 mtorr、溫度為600℃，在不同濺鍍時間下F-N曲線圖………………………61 圖4-19 RuO2奈米線TEM分析圖…………………………………62 圖4-20 利用數位相機拍攝分佈在4吋基板的RuO2耐米線其內插圖片顯示為傾斜30度角的RuO2耐米線表面型態SEM分析圖..............63 圖4-21 在4吋生長RuO2耐米線的基板上任選四點經過場發射J-E量測的結果，插入圖為其F-N曲線圖.............................64

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