奈米碳管的高頻電性量測分析及電路模型建立

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研究生：	李建樑 Jang-Liang Li
論文名稱：	奈米碳管的高頻電性量測分析及電路模型建立 Radio-Frequency Electrical Properties Measurement, Analysis, and Circuit Modeling of Carbon Nanotubes
指導教授：	蔡春鴻 Chueng-Horng Tsai
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 工程與系統科學系 Department of Engineering and System Science
論文出版年：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	111
中文關鍵詞：	奈米碳管、高頻量測、頻率共振
外文關鍵詞：	carbon nanotube, RF measurement, frequency resonance
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本文實驗上利用高溫化學氣相沉積法來製備奈米碳管，製程上可以分為兩個主軸，在實驗初期為在電極上做直接成長的奈米碳管製程，稱此為Pre-Electrode製程；以及實驗後期成長奈米碳管之後再覆蓋電極的製程方式，稱之為Post-Electrode製程。再利用向量式網路分析儀Vector Network Analyzer來量測其雙埠網路的高頻參數，來探討及比較奈米碳管的高頻特性。
　　兩種實驗的製程使用同樣的電極設計（GSG Coplanar Waveguide Transmission Line），尺度上的大小雖有差異，但其目的及原理都是配合高頻RF量測上的設計，需配合GSG共平面式RF探針的針距、與特性阻抗50歐姆的匹配電路。電極先後的製程，則是為了控制奈米碳管的成長密度、品質、以及高頻分析時的準確性，而設計了較複雜的Post-Electrode製程。藉由e-Beam電子束微影來製作微米等級的GSG傳輸線，能較精確地量測單根或少根單壁奈米碳管的高頻性質。
　　在本文有限的實驗數據中，能指出具有奈米碳管的樣品在高頻RF量測上，皆有發現低頻率共振的現象。推論應為奈米碳管獨具的強電感值造成LC共振增強而使得頻率響應發生在低頻率範圍（小於10GHz），由對照組的實驗及簡化的電路模型可以驗證之。
　　由於高頻與奈米領域的結合的研究領域仍在發展的初步階段，本文實驗的過程中仍有些問題與困難待改善，相信隨著在製備奈米碳管方面、微製造方面、及準確的高頻量測設計平台的漸漸改良進步下，能量測到奈米碳管更精確的RF特性，並期許奈米碳管在RF上也能有許多前瞻的應用。

Our nanotubes were growth from lithographically patterned thin film catalyst structures using thermal-CVD. There are two majors experimental axial processes. The initial experiments called “Pre-Electrode” were in-situ grow carbon nanotubes on the electrodes. The latterly experiments called “Post-Electrode” were evaporated electrodes after the thermal-CVD process. Next, we measure the RF parameters (S-parameter, ex: reflection coefficient ) of our samples to find the RF properties of two-ports network.
We designed the same electrode layout for “Pre-Electrode” and “Post-Electrode” processes. The GSG coplanar waveguide transmission line was designed for matching the RF probes and characteristic impedance 50 Ohms matching circuit. We used e-Beam lithography technique to fabricate the micro-transmission lines for the “Post-Electrode” process. Thus, we could control the density and quality of nanotubes to truly measure RF signals of individual SWNT.
All we find the LC resonance at the lower microwave frequencies (<10GHz) for carbon nanotubes samples. To present the demonstration of single-walled carbon nanotubes served as the strong inductors. In contrast, there was no this effects for the other samples without carbon nanotubes. We construct a simple LC impedance-matching circuit to fitting the experiment data.

目錄
摘要    I
Abstract    III
誌謝    V
目錄    VII
表目錄    X
圖目錄    XI
符號表    XV
第一章    序論    1
1-1    前言    1
1-2    奈米碳管的發現與前景    3
1-3    高頻電路的特性    5
1-4    研究目標    6
1-5    本文架構    8
第二章　奈米碳管的理論基礎    10
2-1　奈米碳管的結構與分類    11
2-2　奈米碳管的結構與電性    12
2-3　單壁奈米碳管的電子傳輸特性    14
2-4　奈米碳管的結構與拉曼光譜表徵    15
第三章　高頻量測的理論基礎[43-48]    21
3-1　高頻電路特色    22
3-2　傳輸線理論    24
3-3　反射係數與阻抗匹配    27
3-4　史密斯圖（Smith Chart）    30
3-5　S參數    34
3-5    網路分析儀[48-50]    38
3-6　回顧奈米碳管的高頻量測    42
第四章    實驗初期（Pre-Electrodes）    51
4-1　Pre-Electrodes的實驗流程    54
4-2　Pre-Electrodes的高頻量測分析    61
4-2-1　RF量測目的    61
4-2-2　RF量測原理說明    61
4-2-3　RF實驗步驟    62
4-2-4　RF相關參數設定    62
4-2-5　量測結果與討論    63
第五章    實驗後期（Post-Electrodes）    72
5-1　Post-Electrodes的實驗流程    72
5-2　Post-Electrodes的高頻量測分析    81
5-2-1　RF量測目的    81
5-2-2　RF量測原理說明    82
5-2-3　RF實驗步驟    83
5-2-4　RF相關參數設定    83
5-2-5　量測結果與討論    84
5-3    改良Post-Electrodes實驗Layout    91
5-4    改良Post-Electrodes的高頻量測分析    94
第六章    結果討論與未來研究    98
6-1    實驗整理及列表    98
6-2    結論及佐證    99
6-3　未來研究的目標    103
參考文獻    106







表目錄
表2-2.1　奈米碳管的旋度（n, m）值和電特性的分類    13
表3-1　半導性與金屬性SWNT的DC及AC電阻、電性的比較    49
表4-1.1　E-gun所鍍金屬各層厚度及功能    55
表4-1.2　Pre-Electrodes的Thermal-CVD成長參數    56
表5-1.1　E-gun所鍍金屬各層厚度及功能（Pt/Ti）    74
表5-1.2　E-gun所鍍金屬各層厚度及功能（SiO2/Ni）    75
表4-1.2　Pre-Electrodes的Thermal-CVD成長參數    76
表6-1.1　所有實驗的Data整理比較（RF, AFM, DC）    98









圖目錄
圖2-4-2.1　Kataura Chart    18
圖2-4-2.2　拉伸振動模式(G-模式)分裂成ω+及ω□二個模式的程度，可提供電性為金屬性，或半導體性判斷的依據    19
圖2-4-2.3　由拉伸振動模式(G-模式)分裂成ω+及ω□二個模式的相對位置，可提供旋度角度範圍的資訊    20
圖3-3.1　一個完整的史密斯圖（Smith Chart）    31
圖3-5.1　典型的雙埠網路分析儀形貌    38
圖3-5.2　HP-8510C向量網路分析儀及On-wafer探針平臺    39
圖3-5.3　雙埠校正之On-wafer SLOT calibrations    40
圖3-6.1　奈米碳管準一維系統的電路模型（理想）    44
圖3-6.2　奈米碳管電路之四個量子通道平行（電子無交互作用）    44
圖3-6.3　奈米碳管電路之四個量子通道並聯耦合（電子有交互作用）    45
圖3-6.4　一般模式（Common / Charge Mode）的奈米碳管等效電路    45
圖3-6.5　共振式LC阻抗匹配電路    46
圖3-6.6　量測半導體性的SWNT共振器的反射係數S11值（2.6GHz）    47
圖3-6.7　量測金屬性的SWNT共振器的反射係數S11值（4GHz）    48
圖3-6.8　SWNT的電阻值隨著長度的變化情形（室溫）    50
圖4-1.1　Thermal-CVD系統裝置圖    51
圖4-1.2　E-gun電子槍蒸鍍儀    52
圖4-1.3　預先設計好的GSG傳輸線Layout（有長度不同的設計）    54
圖4-1.4　Raman光譜分析圖（Pre-Electrodes）    58
圖4-1.6　SEM電子顯微鏡影像（Pre-Electrodes）    60
圖4-2-5.1　Microwave Office 2000高頻分析軟體    63
圖4-2-5.2　Pre-Electrode含CNT的史密斯圖表（S11, S22）    64
圖4-2-5.3　Pre-Electrode無CNT的史密斯圖表（S11, S22）    65
圖4-2-5.4　Pre-Electrode之CNT, NOCNT的比較S11及S22對頻率    66
圖4-2-5.5　Pre-Electrode之NOCNT的Fitting電路模型    68
圖4-2-5.6　 Pre-Electrode之NOCNT的擬合結果（綠線為Fitting）    68
圖4-2-5.7　GSG傳輸線含CNT的Fitting電路模型    70
圖4-2-5.8　 GSG傳輸線含CNT的擬合結果（綠線為Fitting）    70
圖5-1.1　預先設計好的Pt-Template Layout（全圖）    73
圖5-1.2　放大中心位置的Pt-Template GSG傳輸線    73
圖5-1.3　10μm2正方型圖案的催化劑Pattern    75
圖5-1.4　成長之SWNT的AFM影像圖    77
圖5-1.5　e-Beam製作的GSG微傳輸線（全圖）    79
圖5-1.6　e-Beam製作的GSG微傳輸線Layout（放大圖）    79
圖5-2-1.1　Post-Electrode之CNT試片的AFM影像分析    82
圖5-2-5.1　Post-Electrode之CNT, NOCNT, PAD的史密斯圖表（S11）    84
圖5-2-5.2　Post-Electrode之CNT, NOCNT, PAD的S11對頻率圖    85
圖5-2-5.3　Post-Electrode之PAD的Fitting電路模型    87
圖5-2-5.4　Post-Electrode之PAD的擬合結果（綠線為Fitting）    87
圖5-2-5.5　Post-Electrode之NOCNT的Fitting電路模型    88
圖5-2-5.6　Post-Electrode之NOCNT的擬合結果（綠線為Fitting）    88
圖5-2-5.7　Post-Electrode之CNT的Fitting電路模型    89
圖5-2-5.8　Post-Electrode之CNT的擬合結果（綠線為Fitting）    89
圖5-1.7　改良後e-Beam製作的GSG微傳輸線（全圖）    92
圖5-1.8　改良後e-Beam製作的GSG微傳輸線Layout（放大圖）    93
圖5-4.1　Post-Electrode II_1之S11和S22共振頻率比較（II_1A）    96
圖5-4.2　Post-Electrode II_2之S11和S22共振頻率比較（II_2A,2B）    96
圖5-4.3　Post-Electrode II_3之S11和S22共振頻率比較（II_3A,3B）    97
圖5-4.4　Post-Electrode II_4之S22共振頻率比較（II_4A）    97
圖6-2.1　回顧一下II_3A即為AFM發現半根的SWNT的情況可用來証明之結論＜2＞    101
圖6-2.2　回顧一下I_2A, I_3A,III_A皆無低頻共振情況來証明之結論＜4＞    103

                                

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