簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 黃榆珊
論文名稱： 熱蒸鍍法製備SiOx及Si奈米線
The Synthesis of SiOx and Si Nanowires via Thermal Eveporation Method
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： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 103
中文關鍵詞： 奈米線 、矽 、氧化矽
相關次數： 點閱：2  下載：0 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 本實驗是以三段均溫管式爐加熱，可以獨立調變反應與沉積溫度參數，並通入Ar + 10 ％ H2的催化氣體，以熱蒸發法成長奈米線。分為兩個系統，第一個系統是將C粉、Fe粉與SiO2粉等莫耳混合後置於爐管中區，粉末反應溫度1250 °C與基板沈積溫度900 ~ 950 °C時，可在氧化鋁基板表面成功成長出兩種奈米線。較高溫沉積者為圓形催化顆粒的圓形截面線體，為VLS成長機制；較低溫為金字塔形催化顆粒的方形截面線體，為VSS成長機制。而TEM分析得知，奈米線端點催化顆粒皆為單晶的Fe3Si，線體為SiOX非晶質結構。PL光譜量測結果發現此種SiOX奈米線在光譜圖中452 nm (藍光) 與548 nm (綠光)發現有峰值，在發光元件上有發展的潛力。
    另一種系統是將Sn粉與SiO粉以重量比1：6混合放入爐管中加熱，結果顯示在粉末反應溫度1350 °C、基板沉積溫度850 °C下可得兩種主要產物，一種為以一顆催化顆粒即可催化出多根氧化矽奈米線之水母狀結構；另一種則是以氧化矽非晶外層包覆矽單晶的核殼( Core-Shell )結構。此種結構用CL量測，發現在光譜圖462 nm (藍光)與624 nm (橙紅光)處有峰值，也可望在發光元件上有應用。

    摘 要……………………………………………...……..Ι 目 錄…………………………………..……...…......ΙΙ 圖 目 錄............................................V 表 目 錄...........................................IX 一、前 言 1 二、文 獻 回 顧 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 ) 7 2.3.2 氧化物輔助成長 9 2.3.3 氣-固機構 ( VS機構 ) 11 2.4 氧化矽奈米線 12 2.5光激發螢光 ( photoluminescence, PL ) 原理 13 2.6 陰極發光原理 16 三、實 驗 步 驟 26 3.1混合粉末及實驗流程 26 3.2粉末配製 26 3.3奈米線的製備 26 3.4 微結構分析 28 3.4.1 掃描式電子顯微鏡 ( scanning electron microscope, SEM ) 分析 28 3.4.2 穿透式電子顯微鏡 ( transmission electron microscope, TEM ) 分析 29 3.5 成份分析 29 3.6 性質量測 30 3.6.1光激發螢光 ( photoluminescence, PL ) 性質量測 30 3.6.2 陰極發光光譜 (Cathodoluminescence, CL ) 量測 30 四、結 果 與 討 論 38 4.1 SiO2 +C+Fe粉末系統 38 4.1.1 沉積溫度的影響 (粉末為SiO2:C:Fe = 1:1:1) 38 4.1.2 反應溫度 43 4.1.3 氣體流量影響 (粉末為SiO2:C:Fe = 1:1:1) 46 4.1.4 不同基板比較 (粉末為SiO2:C:Fe = 1:1:1) 49 4.1.5 改變粉末比例 51 4.1.6 催化劑改放為基板上 53 4.1.7 TEM分析 55 4.1.8 成長機制 65 4.1.9 PL性質 71 4.2 SiO+Sn粉末系統 74 4.2.1 持溫時間變化 77 4.2.2 TEM分析 83 4.2.3 成長機制 89 4.2.4 CL性質 93 五、結 論 99 六、參 考 文 獻 101 圖 目 錄 圖2-1 VLS奈米線成長機制與金-鍺二元相圖。……………….…17 圖2-2 以金為催化劑所生長的磷化鎵奈米線。……………..……18 圖2-3 鍺奈米線成長過程所記錄的TEM影像。……………….....19 圖2-4 氧化物輔助成長矽奈米線的成核及成長機制。…………..20 圖2-5 氧化物輔助奈米線成長過程的TEM影像。………………...21 圖2-6 直接能隙與間接能隙之能帶示意圖。......................................................24 圖2-7 GaAs之能帶圖與 Si之能帶圖。………………………..….25 圖2-8 雜質存在造成能帶結構改變。……………………………..25 圖3-1 實驗流程圖。………………………………………………..32 圖3-2 三區真空高溫熱處理爐之示意圖。………………………..33 圖3-3 單區真空高溫熱處理爐之示意圖。........................................34 圖3-4 樣品位置示意圖。…………………………………………..35 圖3-5 升溫曲線圖。………………………………………………..35 圖3-6 光激發螢光光譜儀裝置示意圖。…………………………..36 圖3-7 CL光譜儀之光學安排示意圖。…………………………….37 圖4-1 1250 °C反應，750 °C、800 °C沉積的氧化鋁基板上奈米 線的FESEM圖。……………………………………………40 圖4-2 1250 °C反應、850 °C、900 °C沉積的氧化鋁基板上奈米 線的FESEM圖。…………………………….………………41 圖4-3 1250 °C反應、950 °C ~1050 °C沉積的氧化鋁基板上奈米 線的FESEM圖。……………………………………………42 圖4-4 1200 °C與1250 °C反應、950 °C沉積的氧化鋁基板上奈米 線之FESEM圖。……………..………………………………44 圖4-5 1300 °C與1350 °C反應、950 °C沉積的氧化鋁基板上奈米 線之FESEM圖。……………………………………………45 圖4-6 1250 °C反應、950 °C沉積，氣體流量10 sccm與50 sccm 氧化鋁基板上奈米線之FESEM圖。…………………..……47 圖4-7 1250 °C反應、950 °C沉積，氣體流量100 sccm與125 sccm 的氧化鋁基板上奈米線之FESEM圖。………………..……48 圖4-8 1250 °C反應、950 °C沉積的三種不同基板上奈米線成長情 形的FESEM圖。……………………………………………50 圖4-9 1250 □C反應、950 □C沉積，不同粉末比例基板上奈米線成 長情形的FESEM圖。………………………………………52 圖4-10 1250 □C反應、1000 □C沉積，在基板上放置催化劑之FESEM 圖。……………………………………………………………54 圖4-11 1250 □C升溫、950 □C沉積，粉末比SiO2:C:Fe = 1:2:1時氧 化鋁基板上長出奈米線其TEM照片與EDS成份分析。......58 圖4-12 1250 □C升溫、950 □C沉積，粉末比SiO2:C:Fe = 1:1:1時氧 化鋁基板上長出奈米線其TEM照片與EDS成份分析。......59 圖4-13 1250 □C升溫、950 □C沉積，粉末比SiO2:C:Fe = 1:1:1，氧 化鋁基板上金字塔狀頂端奈米線其頭部外層與內層EDS成 份分析。....................................................................................60 圖4-14 金字塔狀頂端的奈米線其選區繞射圖及其成長方向。........61 圖4-15 金字塔狀頂端的奈米線其原子影像與(200)面間距。............62 圖4-16 圓球狀頂端的奈米線其TEM照片與EDS成份分析。..........63 圖4-17 圓球狀頂端的奈米線其TEM照片與頂端顆粒的選區繞射分 析圖。........................................................................................64 圖4-18 以VLS機制成長奈米線之示意圖。…………………………69 圖4-19 金字塔型奈米線成長示意圖。………………………………70 圖4-20 1250 □C升溫、950 □C沉積，粉末比SiO2:C:Fe = 1:1:1，氣 體流量100 sccm所得出之奈米線螢光發光圖形。................73 圖4-21 1350 °C反應，850 °C沈積，持溫3小時的氧化鋁基板上所 生成出水母狀產物俯視圖。…………………………………75 圖4-22 1350 °C反應，850 °C沈積，持溫3小時的氧化鋁基板側視 圖。……………………………………………………………76 圖4-23 成長氧化矽奈米線之前階段1分鐘至1小時部分。……..…79 圖4-24 成長氧化矽奈米線之前階段2小時至7小時部分。……..…80 圖4-25 持溫時間1分鐘、2小時、5小時基板側視圖。………………81 圖4-26 氧化層及其內部結構FESEM圖片。………………………..82 圖4-27 水母狀結構之TEM影像以及催化顆粒的成份分析。……...85 圖4-28 核殼狀結構之TEM影像以及催化顆粒的成份分析。……...86 圖4-29 核殼狀結構之SAED 圖形及其成長方向示意圖。………...87 圖4-30 核殼狀結構之TEM影像及其原子影像。…………………...88 圖4-31 錫催化之奈米線成長示意圖。………………………………91 圖4-32 核殼結構成長示意圖。………………………………………93 圖4-33 1350 □C升溫、850 □C沉積，粉末重量比SiO:Sn = 6:1，持 溫20分鐘所得出之奈米線陰極發光圖形。...........................96 圖4-34 1350 □C升溫、850 □C沉積，粉末重量比SiO:Sn = 6:1，持 溫3小時所得出之奈米線陰極發光圖形。...........................96 圖4-35 尚未經過侵蝕的奈米線與在10 % 的BOE水溶液中浸泡30 秒後的奈米線FESEM圖。…………………………………..97 圖4-36 在10 % 的BOE水溶液中浸泡30秒後的奈米線其CL光 譜圖。………………………..………………………...…….98 表 目 錄 表2-1 無機奈米線系統和其製備方法。……………………………..22

    1. 蔡健民, “以奈米粉體強化之高性能高分子PEEK製程與機械性質分析”, 國立中山大學材料科學研究所碩士論文, 2003.
    2. S. Iijima, Nature, 354, 56, 1991.
    3. R. Tenne, L. Margulis, M. Genut, and G. Hodes, Nature, 360, 444, 1992.
    4. Y. Feldman, E. Wasserman, D. J. Srolovitz, and R. Tenne, Science, 267, 222, 1995.
    5. N. G. Chopra, R. J. Luyken, K. Cherry, V. H. Crespi, M. L. Cohen, S. G. Louie, and A. Zettl, Science, 269, 966, 1995.
    6. P. Yang, Y. Wu, and R. Fan, Int. J. Nanoscience, 1, 1, 2002.
    7. R. S. Wagner and W. C. Ellis, Appl. Phys. Lett., 4, 89, 1964.
    8. Y. Wu and P. Yang, J. Am. Chem. Soc., 123, 3165, 2001.
    9. S. T. Lee, N. Wang, Y. F. Zhang, and Y. H. Tang, MRS Bulletin, 24, 36, 1999.
    10. W. S. Shi, H. Y. Peng, N. Wang, C. P. Li, L. Xu, C. S. Lee, R. Kalish, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc., 123, 11095, 2001.
    11. S. T. Lee, N. Wang, and C. S. Lee, Mater. Sci. Eng., A 286, 16, 2000; N. Wang, Y. H. Tang, Y. F. Zhang, C. S. Lee, I. Bello, and S. T. Lee, Chem. Phys. Lett., 299, 237, 1999.
    12. B. Lewis, J. Crystal Growth, 21, 29, 1974.
    13. P. Yang and C. M. Lieber, J. Mater. Res., 12, 2981, 1997; P. Yang and C. M. Lieber, US Patent 5897945.
    14. P. Yang and C. M. Lieber, Science, 273, 1836, 1996.
    15. Z. L. Wang, R. P. Gao, Z. W. Pan, and Z. R. Dai, Adv. Eng. Mater., 3, 657, 2001.
    16. Z. R. Dai, Z. W. Pan, and Z. L. Wang, Solid State Commun., 118, 351, 2001.
    17. Y. Q. Zhu and W. H. Hsu, J. Mater. Chem. 8, 1859, 1998.
    18. Y. Q. Zhu and W. H. Hsu, Adv. Mater., 11, 844, 1999.
    19. Z. J. Zhang and G. Ramanath, Adv. Mater., 13, 197, 2001.
    20. Z. J. Zhang, P. M. Ajiayan, and G. Ramanath., Appl. Phys. Lett.,
    78, 3794, 2001.
    21. Z. L. Wang, R. P. Gao, J. L. Gole, andJ. D. Stout, Adv. Mater.,
    12, 1938, 2002.
    22. B. Zheng, Y. Y. Wu, P. D. Yang, Adv. Mater., 14, 122, 2002.
    23. Z. W. Pan, Z. R. Dai, C. Ma, and Z. L.Wang, J. Am. Chem. Soc., 124, 1817, 2004.
    24. A. R. Silin, L. N. Skuja, and A. V. Shendrik, Fiz i Khim. Stekla, 4, 405, 1978.
    24. L. N. Skuja and A. R. Silin, Physica A, 56, K11, 1979.
    25. J. H. Stathis and M. A. Kastner, Phys. Rev. B, 35, 2972, 1987.
    26. C. Itoh, T. Suzu, and N. Itoh, Phys. Rev. B, 41, 3794, 1990.
    27. N. Nishikawa, T. Shiroyama, R. Nakamura, Y. Ohiki, K. Nagasawa,
    and Y. Hama, Phys. Rev. B, 45, 586, 1992.
    28. T. Kanashima, M. Okuyama, and Y. Hamakawa, Appl. Surf. Sci.,
    79, 321, 1994.
    29. L. S. Liao, X. M. Bao, X. Q. Zheng, N. S. Li, and N. B. Min, Appl. Phys. Lett., 68, 850, 1996.
    30. D. P. Yu, Q. L. Hang, Y. Ding, H. Z. Zhang, Z. G. Bai, J. J. Wang, Y. H. Zou, W. Qian, G. C. Xiong, and S. Q. Feng, Appl. Phys. Lett., 73, 3078, 1998.
    31. X. C. Wu, W. H. Song, K. Y. Wang, T. Hu, B. Zhao, Y. P. Sun, and J. J. Du, Chem. Phys. Lett., 336, 53, 2001.
    32. K. H. Lee, S. W. Lee, R.R. Vanfleet, and W. Sigmund, Chem. Phys.
    Lett., 376, 498, 2003.
    33. S. Kar, and S. Chaudhuri, Solid State Commun., 133, 151, 2005.
    34. H. Nishikawa, Appl. Phys. Lett., 79, 10, 2001
    36. H. Wang and X. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed., 44, 6934, 2005.
    37. H. Nishikawa and T. Shiroyama, Physical Review B, 45, 586, 1992.
    38. G. W. Meng, X. S. Peng, Y. W. Wang, C. Z. Wang, X. F. Wang, and
    L. D. Zhang, Appl. Phys. A, 76, 119, 2003.
    39. Y.D. Gilinka, Appl. Phys. Lett., 75, 778, 1999.
    40. L. Skuja, J. Non-Cryst. Solids, 239, 16, 1998.
    41. D. M. Lyons and K. M. Ryan, Nano Lett., 2, 8, 2002.
    42. 汪建民，“材料分析”，中國材料科學學會，1998。
    43. 陳正智， “混合粉末法製備SiOX奈米線”, 國立清華大學材料科
    學研究所碩士論文, 2005。
    44. R.J. Borg and D.Y.F. Lai; J. Appl. Phys., 41, 5193, 1970.

    無法下載圖示 全文公開日期 本全文未授權公開 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)

    QR CODE