以奈米碳纖維頂端合成懸掛式單壁奈米碳管之元件製作與接觸力分析

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研究生：	吳政鋼 Cheng-Kang Wu
論文名稱：	以奈米碳纖維頂端合成懸掛式單壁奈米碳管之元件製作與接觸力分析 Device fabrication of synthesis of suspended single-walled carbon nanotubes crossing tips of carbon nanofibers and adhesion force analysis
指導教授：	柳克強 Keh-Chyang Leou 蔡春鴻 Chuen-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：	2006
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	136
中文關鍵詞：	奈米碳管
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在本論文中我們將研製一種新穎的懸空單壁奈米碳管的製作方式，分為三個步驟，先利用電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhance Chemical Vapor Depositon, PECVD)的方式成長奈米碳纖維(Carbon Nano-Fiber, CNF)，再來利用氬氣電漿源對奈米碳纖維作單向的物理轟擊，使其頂端催化劑直徑縮小，可在頂端成長單壁奈米碳管(Single-Walled Carbon Nanotube, SWNT)，最後將試片利用高溫化學氣相沉積(Thermal Chemical Vapor Depositon, Thermal CVD)的方式成長懸空單壁奈米碳管。而為了使下個階段的電學特性研究能夠順利進行，找尋一個合適的電極材料以及元件設計即為一個重要課題，我們利用了鈦、鉬金屬以及多晶矽作為製程的下電極材料，經過了三道製程的驗證後，發現多晶矽乃是本製程下的良好電極材料。
我們利用靜電力檢驗懸空結構的接觸力，施加的靜電力為非接觸力，不同於一般使用AFM探針接觸式的碳管機械特性研究，利用不同電場下碳管的形變量分析靜電力對懸空碳管的施力，我們估計出懸空碳管與碳纖維之間的接觸力至少在10 nN等級以上，証實了在SWNT-CNF的介面上並非單純的以凡德瓦爾力相接觸，而針對接觸機制我們合理的推測可能為碳碳間的化學鍵結。
我們設計出三極量測元件，並成功地在該試片上成長出跨越兩電極的結構，初步電性量測的結果顯示，試片經過奈米碳纖維製程後即會產生漏電流，表示單就200 nm的氧化層無法抵擋製程的破壞，必須改善絕緣層結構，文末將提出改善的方法及未來展望。

摘  要    i
誌  謝    iii
目  錄    vii
圖目錄    xi
表目錄    xvi
第一章 緒論    1
1-1 奈米碳管    1
1-2奈米碳管的合成    5
1-2-1電弧放電法與雷射剝蝕法    5
1-2-2催化劑式化學氣相沈積法 (Catalytic Chemical Vapor Deposition, CCVD)    8
1-3 CCVD製程中奈米碳管可能的成長機制    10
1-4 奈米碳管的性質與應用    12
1-4-1奈米碳管的性質    12
1-4-2 奈米碳管的應用    13
第二章 文獻回顧    17
2-1 懸空單壁奈米碳管的製作方法    18
2-1-1 蝕刻溝槽的方式    18
2-1-2 製作奈微米等級之矽柱    19
2-1-3 在奈米碳纖維頂端直接成長    20
2-1-4 懸空單壁奈米碳管成長過程    22
2-2 懸空單壁奈米碳管的電學特性    25
2-2-1 元件特性    25
2-2-2 遲滯效應    26
2-2-3 NDC效應(Negative differential conductance effect, NDC)    28
2-3 懸空單壁奈米碳管的拉曼特徵    29
2-4 碳管機械特性    31
2-5 氧化矽基板與碳管間的接觸力    33
2-6 本章總結    34
第三章 研究方法與實驗設備    35
3-1 研究方法    35
3-1-1 試片準備    35
3-1-2 基本成長步驟    36
3-1-3 基本檢測：電子顯微鏡與拉曼量測系統    39
3-1-4 SWNT-CNF接觸力測試(靜電力檢測)    40
3-1-5 三極元件結構設計    41
3-1-6 電性量測    42
3-2 實驗設備介紹    43
3-2-2 高密度電漿源之ICP-CVD(Induce Couple Plasma, ICP)系統設備    43
3-2-2 溫度校正    47
3-2-3 高溫化學氣相沈積系統(Thermal CVD)    48
3-2-4 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)    51
3-2-5 微拉曼光譜儀(Micro-Raman Spectroscopy)    52
3-2-6 多探針奈米電性量測系統 (Muti-Probe Nano-Electronics Measurement System, MPNEM System)    53
第四章 結果與討論    58
4-1 製程參數    58
4-2 電極材料選擇    60
4-2-1 ICP-CVD 製程結果    61
4-2-2 Thermal CVD 製程結果    63
4-3 多晶矽的跨成長結果與拉曼分析    65
4-4 摻雜試片上的再成長結果    73
4-4-1 多晶矽(in-situ doping)試片測試    73
4-5 靜電力檢測SWNT-CNF接觸面    78
4-5-1 實驗設計與結果    79
4-5-2 以伸長量分析接觸力大小    85
4-5-3 以位移量分析接觸力大小    89
4-5-4 SWNT-CNF可能的接觸機制探討    94
4-6 三極元件製作與成長結果    96
4-6-1 三極元件製作    96
4-6-2 元件上的跨成長結果    98
4-7 元件電性檢測    99
4-8 實驗結果總結    103
第五章 總結與未來展望    105
5-1 總結    105
5-2 未來展望    106
參考文獻    108
附錄A 靜電力實驗照片紀錄    112

                                

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