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研究生： 林聖紘
Lin Shen Hong
論文名稱： 藉微波電漿輔助化學氣相沈積系統合成氧化鈦奈米材料與特性分析
指導教授： 施漢章
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： 71
中文關鍵詞： 奈米棒 、二氧化鈦 、微波電漿
外文關鍵詞： nanorod, Titania, MPECVD
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    • 當材料在奈米尺度時，會有不同於以往的尺寸效應，不論在光性、電性、磁性方面都有別以往的效果產生。鈦是一個重要的過渡金屬元素，它有高熔點以及低密度的特性。氧化鈦則常被使用於光催化觸媒、感測器、發光及發電材料，用途相當廣泛。在本研究中，利用微波電漿輔助化學氣相沈積法，合成氧化鈦的一維奈米結構。氧化鈦是以奈米棒的形貌出現，長度兩百到數百奈米，橫截面的直徑20-30奈米相當的細，可以大量提升整體材料的表面積。不論是利用金或是不鍍觸媒，都可以在鍍有鈦輔助層的多晶氧化鋁基板上合成大量的氧化鈦。通入的氧氣氣體流量對於氧化鈦生成的形貌有很大的影響。
    掃描式電子顯微鏡可以幫我們了解到氧化鈦的形態以及成長機制;在製程不同的時間點觀察掃描式電子顯微鏡的影像，推論氣-固機制是被認為較有可能的成長機制。Ｘ光繞射和穿透式電子顯微鏡幫我們確認了氧化鈦的結構為二氧化鈦金紅石相(Rutile phase)。電子能譜分析(XPS)幫我們瞭解二氧化鈦的鍵結情形。陰極發光的量測可以了解到我們合成出的氧化鈦其中的缺陷結構和能帶分佈以及可發出藍綠色光及紅外光的波長。

    When in nano-scale, materials bear different characteristics, suck as optical, electrical, and magnetic properties. Titanium is an important transition metal; it has a very high melting point and low mass density. Titania are widely used in photo-catalysts, gas sensors, photochromic and electochromic materials. In this research, We synthesize Titania nano structure by MPECVD (microwave plasma enhanced chemical vapor deposition). The morphology of Titania is rods. Its thinness, length, and width of cross-section are respectively several hundreds nanometer, and 20-30nm. Large amounts of single-crystal TiO2 nanorods are obtained on either poly-crystal Al2O3 substrate with Ti buff layer or using Au at catalysts. It has large effects on the morphology of TiO2 by changing reaction time and gas flowing rate.

    By using scanning electron microscopy, we can see the morphology and growing mechanism of Titania. X-ray and transmission electron microscopy indicated the structure of Titania was Rutile phase. In order to understanding binding status of Titania, we choose XPS for measuring. Cathodoluminescene can help us to understand the defect state of our Titania and also indicate that the ours shows great blue and infrared peak.

    第一章 序論 1.1 何謂奈米科技--------------------- 1 1.2 奈米材料的簡介------------------- 2 1.2.1 零維奈米材料------------------ 3 1.2.2 一維奈米材料------------------ 4 1.2.3 二維奈米材料------------------ 5 1.2.4 三維奈米材料------------------ 5 1.3 奈米材料的特殊效應--------------- 5 1.3.1 量子尺寸效應------------------- 6 1.3.2 表面效應----------------------- 6 1.3.3 巨觀量子穿遂效應--------------- 8 1.4 奈米科技的應用與發展------------- 8 1.4.1奈米科技的應用----------------- 8 1.4.2奈米科技的發展-----------------11 第二章 文獻回顧 2.1 一維奈米材料的成長機制-----------14 2.1.1 汽-固法-----------------------14 2.1.2 汽-液-固法--------------------15 2.1.3 溶液-液-固法------------------16 2.2 一維奈米材料合成法---------------17 2.2.1 冷凝法------------------------17 2.2.2 熱化學氣相沉積----------------17 2.2.3 熱蒸鍍法----------------------18 2.2.4 逆微乳膠法--------------------18 2.3 二氧化鈦一維奈米材料的文獻回顧---------------------19 2.3.1 化學溶液法--------------------19 2.3.2 物理雕刻法--------------------20 2.4 二氧化鈦的性質與應用-------------20 2.4.1 二氧化鈦的結構與特性----------21 2.4.2 二氧化鈦的缺陷機制------------22 2.4.3 二氧化鈦光觸媒之應用----------23 第三章 實驗方法與量測儀器 3.1 實驗方法-------------------------27 3.1.1 實驗流程----------------------27 3.2 儀器介紹-------------------------30 3.2.1 微波電漿輔助化學氣相沈積系統--30 3.2.2 掃描式電子顯微鏡--------------32 3.2.3 X光繞射分析儀----------------32 3.2.4 穿透式電子顯微鏡--------------32 3.2.5 電子能譜儀--------------------32 3.2.6 陰極發光----------------------33 第四章 結果與討論 4.1 氧化鈦表面形態的探討--------------34 4.1.1 氧化鈦奈米棒-------------------34 4.1.2 微波功率的影響-----------------37 4.1.3 氣體流量的影響-----------------37 4.1.4 鍍上金為觸媒的成長-------------42 4.2 氧化鈦的結構分析與成份鑑定--------44 4.2.1 X光繞射鑑定--------------------45 4.2.2 穿透式電子顯微鏡分析-----------49 4.3 成長機制討論----------------------54 4.4 氧化鈦的鍵結分析------------------59 4.5 氧化鈦奈米棒的缺陷、能帶、發光性質的探討------------------------------64 第五章 結論----------------------------65 第六章 實驗延伸與未來展望--------------66 第七章 參考文獻------------------------67

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