利用共振腔量測多壁奈米碳管之介電常數｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	王鈺潔 YU-CHIEH WANG
論文名稱：	利用共振腔量測多壁奈米碳管之介電常數 Dielectric Constants of Multi-wall Carbon Nanotubes from Low Frequency to Microwave Frequency
指導教授：	呂助增 JUN-TZENG LUE
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 物理學系 Department of Physics
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	140
中文關鍵詞：	共振腔、奈米碳管、介電常數
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介電常數是描敘材料性質的一個重要的物理參數，本實驗主要是在量測多壁奈米碳管（multi-walled carbon nanotube, MWCNT）從低頻至微波頻段的介電常數，實驗中是利用微波共振腔的方式來量測其介電常數，介電質樣品中除了多壁奈米碳管，還加入氧化鋁及石蠟；因為氧化鋁為高介電常數、低損耗之物質，可避免電磁波被多壁奈米碳管損耗殆盡，而石蠟可去除樣品中之水氣及空氣，使樣品無其他雜質。
利用基本的Maxwell方程式及高頻電磁模擬軟體HFSS加以分析，我們設計一個可調式共振腔，調變其探針可達耦和最佳化且共振腔內共振模態的電磁場分佈情形為TM010模態。將混合物樣品放入微波共振腔內，使用網路分析儀來量測共振模態以及共振頻率，再藉由電磁理論的分析、微波電路的公式，及數學運算軟體Mathematica的輔助計算，可以得到多壁奈米碳管的介電常數。

第一章 序論
1 前言--------------------------------- 1
2 微波介電共振腔----------------------- 2
3 量測理論-------------------------------2
第二章 奈米碳管之簡介
1 碳元素之特性與奈米碳管之存在
1.1 碳之特殊性-----------------------4
1.2 碳家族的基本成-------------------5
1.3 富勒烯(fullerene)與奈米碳管---------6
2 奈米碳管的種類
2.1 螺旋性與管徑----------------------7
2.2 單壁與多壁奈米碳管---------------11
3 奈米碳管的電性結構
3.1 單壁奈米碳管---------------------12
3.2 多壁奈米碳管---------------------14
4 奈米碳管的合成方式
4.1 電弧放電法(Arc Discharge)-----------15
4.2 雷射蒸發法(Laser Vaporization)-------16
4.3 電化學法(Electrochemical Method)----17
4.4 熱裂解法(Pyrolitic Method)-----------17
5 奈米碳管的成長機制---------------------18
5.1 無催化劑的生長機制----------------19
5.2 利用催化劑的生長機制--------------19
5.3 奈米碳管的成長模式---------------21
6 奈米碳管的應用
6.1 電子場發射之應用-----------------23
6.2 AFM、STM 掃描探針之應用---------24
6.3 儲氫與鋰離子之應用---------------25
6.4 強化材料和高強度結構材料的應用---25
6.5 奈米機械的應用-------------------26
6.6 總結-----------------------------26
第三章 微波共振腔的基本理論
1 微波介質共振腔內電磁場理論推導------- 27
1.1 TE 模態----------------------- 32
1.2 TM 模態----------------------- 36
1.3 TM010模態---------------------- 40
1.4 耦合天線------------------------42
1.4.1 耦合天線和電磁場的激發42
1.4.2 耦合天線的種類-------- 43
2 等效介質理論--------------------------45
2.1 Effective Medium Theory, EMT -- 46
2.2 Effective Medium Approximation, EMA
------------------------------------- 49
3 Q 值的計算與虛部介電常數------------- 50
3.1 Q 值的定義-------------------- 51
3.2 QL 轉換成Q0 -------------------- 52
3.3 Qswcnt的求法-------------------- 55
3.4 Q 值與介電常數虛部的關係------- 56
4 電容值與有效介電常數---------------- 59
第四章 實驗的操作
1 多壁奈米碳管規格-------------------- 61
2 介電質樣品製作---------------------- 62
3 介電質共振腔構造-------------------- 65
4 網路分析儀-------------------------- 69
4.1 基本原理---------------------- 70
4.2 基本構造---------------------- 71
4.3 史密斯圖（Smith Chart） ------- 73
4.4 S 參數------------------------ 75
4.5 網路分析儀的校正-------------- 76
4.6 共振頻率的判別---------------- 78
第五章 實驗結果與討論
1 多壁奈米碳管與氧化鋁粉末混合比例----- 80
2 多壁奈米碳管的密度------------------ 80
3 多壁奈米碳管介電常數實部隨頻率之變化趨勢
----------------------------------------- 81
3.1 Part1 多壁奈米碳管在5.6GHz~9 GHz
之介電常數實部-----------------83
3.2 Part2 多壁奈米碳管在1GHz~5.5GH之
介電常數實部-------------------85
3.3 Part3 多壁奈米碳管在10KHz~10MHz
之介電常數實部-----------------88
4 多壁奈米碳管介電常數虛部隨頻率之變化趨勢
4.1 Part1 多壁奈米碳管在5.6GHz~9 GHz之
介電常數虛部---------------------------91
4.2 Part2 多壁奈米碳管在1GHz~5.5GHz之
介電常數虛部---------------------------93
4.3 Part3 多壁奈米碳管在10KHz~10MHz之
介電常數虛部---------------------------94
5 單壁奈米碳管介電常數實部及虛部隨頻率之變
化趨勢---------------------------------96
第六章 HFSS 模擬微波共振腔
1 HFSS 模擬傳統式微波共振腔
1.1 HFSS 模擬共振腔之參數設定------97
1.1 實驗值與HFSS模擬的比較---------98
2 HFSS設計可調式共振腔-----------------101
2.1 設計流程-----------------------102
2.2 模擬結果與討論------------------105
結論--------------------------------------------109
參考資料-------------------------------------- 110
附錄A HFSS 模擬微波共振腔-------------------- 113
A-a 傳統式微波共振腔----------------------116
A-b 可調式微波共振腔之設計----------------119
附錄B 網路分析儀共振能譜--------------------- 128

                                

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