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研究生： 吳介鈞
論文名稱： 鑽石退火成長奈米碳纖維及其場發射特性之研究
指導教授： 徐統
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： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 80
中文關鍵詞： 場發射 、奈米碳纖維
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    • 利用鑽石做為成長奈米碳纖維的碳源，再添加催化劑(過度金屬元素)來成長奈米碳纖維。由中國砂輪取得的鑽石膜和購買的奈米鑽石粉末再分別濺鍍上鐵鈷合金和旋鍍上有機鐵，最後置於900℃以上的高溫中真空退火形成奈米碳纖維，再進行場發射特性研究。本研究將更進一步利用黃光微影製程來做奈米碳纖維的選區成長。成長出來的奈米碳纖維其外徑大部分為10奈米至30奈米之間，且其管壁上方皆有一顆催化劑，催化劑顆粒的大小與管徑成正相關。利用鑽石膜所成長出的奈米碳管較短且直；而奈米鑽石粉末所成長出的奈米碳管則較長且彎曲。鑽石退火後其場發射有增強的現象，因為奈米碳纖維的場發射較鑽石因負電子親和力所產生的場發射特性好，推論應為奈米碳纖維的形成有助於場發射特性。使用導電的白金基板和增長其成長時間使鑽石完全石墨化後，所量測的場發射特性有上升的趨勢。使用雷射輔助退火成長奈米碳纖維更將其成長溫度降至300℃，使得本製程不需在高溫下成長，低溫製程更利於電子元件之製作。

    目錄 誌謝……………………………………………………………….…...Ⅰ 摘要……………………………………………………………………Ⅱ 目錄……………………………………………………...…………….Ⅲ 表目錄………………………………………………………….…..…Ⅵ 圖目錄………………………………………………………………...Ⅶ 第一章 緒論…………………………………………………………1 第二章 文獻回顧…………………………………………………..3 2-1奈米碳管與奈米碳纖維在FED上之應用…………………..3 2-2電子場發射理論……………………………………………….…7 2-2-1金屬的場發射理論…………………………………………..7 2-2-2半導體場發射的基本理論………………………………...…9 第三章 研究方法與實驗步驟………………………………..18 3-1實驗流程………………………………………………………….18 3-1-1鑽石膜之熱處理流程……………………………………….18 3-1-2奈米鑽石粉末熱處理之流程……………………………….18 3-2實驗步驟………………………………………………………….19 3-2-1催化溶液之製備…………………………………………….19 3-2-2混合………………………………………………………….20 3-2-3旋鍍……………………………………..…………………...20 3-2-4軟烤………………………………………………………….20 3-2-5高溫爐管退火……………………………………………….20 3-2-6碳奈米纖維之選區成長………………………………….....21 3-2-7雷射退火…………………………………………………….21 3-3 特性量測及其設備…………………………………………….21 3-3-1熱重分析儀(TGA)…………………………………………..21 3-3-2掃描式電子顯微鏡(SEM)……………………….…………22 3-3-3穿透式電子顯微鏡(TEM)………………………………….22 3-3-4場發射電性量測(FE)………………………………….……22 3-3-5拉曼特性光譜量測(Raman Spectroscopy)………….…….23 第四章 結果與討論……………………………………………..32 4-1奈米碳纖維………………………………………………………32 4-2奈米碳纖維之成長……………………………………………...33 4-2-1鑽石膜高溫退火成長奈米碳纖維…………………………….33 4-2-1-1以鐵鈷合金為催化劑…………………………………..33 4-2-1-2以有機鐵為催化劑……………………………….…….34 4-2-2奈米鑽石粉末高溫退火成長奈米碳纖維…………………….36 4-3均勻度之增加……………………………………………………36 4-4時間溫度變化與場發射間之關係…………………………...37 4-5場發射之增加……………………………………………………38 4-6選區成長碳奈米纖維………………………………………..…39 4-7雷射退火成長奈米碳纖維…………………………………….40 4-8石墨退火成長碳奈米纖維…………………………………….41 第五章 結論…………………………………….……………….…77 參考文獻………………………………………………………..……79 表目錄 表2-1 v(y),t(y)和t2(y)數值對照表…………………………………14 表3-1 碳結構的各種拉曼特性峰值………………………………..31 圖目錄 圖2-1 場發射平面顯示器(FED)………………………………………12 圖2-2 金屬-真空能帶示意圖(a)未加電場(b)外加高電場………..…..13 圖2-3 v(y),t2(y)和y的關係圖………………………………………….15 圖2-4 不考慮電場穿透的半導體場發射示意圖……………………..16 圖2-5 考慮電場穿透下n型半導體的場發射示意圖…………….….17 圖2-6 有表面態的n型半導體………………………………….……..17 圖3-1 鑽石膜退火成長流程圖………………………………………..25 圖3-2 奈米鑽石粉末退火成長流程圖……………………………..…26 圖3-3 選區成長流程圖…………………………………………….….27 圖3-4 雷射輔助退火成長裝置………………………………………..28 圖3-5 場發射二極量測………………………………………………..29 圖3-6 拉曼光譜量測系統示意圖………………………………….….30 圖4-1 鑽石膜與鑽石粉末所成長出奈米碳纖維之外觀比較………..44 圖4-2奈米鑽石粉末所成長出奈米碳纖維之TEM像……………….45 圖4-3 HRTEM之微結構像與電子繞射花樣…………………………46 圖4-4 奈米碳纖維之拉曼光譜特性……………………….………….47 圖4-5 鑽石膜鍍上鐵鈷前後之分別……………………………….….48 圖4-6 熱處理溫度對鑽石膜成長奈米碳纖維之影響…………..……49 圖4-7 鑽石膜熱處理前後之場發射比較……………………………..50 圖4-8 鑽石膜旋鍍不同濃度有機鐵退火溫度950℃、持溫1小時後之外觀…………………………………………………………………..…51 圖4-9 鑽石膜旋鍍不同濃度有機鐵退火溫度950℃、持溫1小時後之場發射特性……………………………………………………………..52 圖4-10 奈米鑽石粉末改變退火溫度，熱處理後之外觀…………....53 圖4-11 奈米鑽石粉末改變退火持溫時間，熱處理後之外觀……….54 圖4-12 改變鐵碳原子比例，熱處理後之外觀……………………….55 圖4-13 改變旋鍍層數，熱處理後之外觀…………………………….56 圖4-14 固定持溫時間為30min，改變退火溫度，熱處理後之外觀….57 圖4-15 固定持溫時間為30min，改變退火溫度，熱處理後之場發射特性……………………………………………………………………..58 圖4-16 固定持溫時間為1hr，改變退火溫度，熱處理後之外觀…….59 圖4-17 固定持溫時間為1hr，改變退火溫度，熱處理後之場發射特性……………………………………………………………………..…60 圖4-18 以白金為基板成長奈米碳纖維……………………….…..….61 圖4-19 利用白金基板導電基板與增加熱處理之持溫時間後其場發射特性曲線………………………………………………………………..62 圖4-20 選區成長之退火前外觀……………………………..………..63 圖4-21 選區成長之退火後外觀……………………………………...64 圖4-22 選區成長後之場發射特性曲線……………………………...65 圖4-23 以2μm直徑圓孔洞之圖案做選區成長後之外觀…………66 圖4-24 以2μm直徑圓孔洞之圖案做選區成長後之場發射特性曲線………………………………………………………………………..67 圖4-25 雷射退火成長奈米碳纖維之前處理…………………………68 圖4-26 雷射退火成長奈米碳纖維後之外觀(雷射能量密度為58 mJ/cm2)………………………………………………………………….69 圖4-27 雷射退火成長奈米碳纖維後之外觀(雷射能量密度為116 mJ/cm2)………………………………………………………………….70 圖4-28 石墨粉粒大小外觀……………………………………………71 圖4-29 分層旋度有機鐵與石墨粉粒混合溶液退火後之外觀………72 圖4-30 持溫30分鐘，變化退火溫度，熱處理後之外觀……………..73 圖4-31 持溫30分鐘，變化退火溫度，熱處理後之場發射特性……74 圖4-32 持溫1小時，變化退火溫度，熱處理後之外觀……………….75 圖4-33 持溫1小時，變化退火溫度，熱處理後之場發射特性……..76

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