臺灣博碩士論文加值系統

本實驗用單根閉口型的多壁奈米碳管，由電子束微影術製作微米電極成為場發射樣品，樣品製作完成後置入真空腔體量測場發射特性。量測得到的數據由Fowler-Nordheim方程式來分析，可以到場增強因子β、場發射的起始電壓Vto。本實驗的分析著重在:場增強因子β和場發射起始電壓Vto與單根閉口多壁奈米碳管的各種幾何情況之關係。
量測成功的樣品分成閉口尖端型和閉口圓弧型討論。可以得到場增強因子β和奈米碳管發射端半徑r呈-2次方正比關係；場增強因子β，與奈米碳管發射端到陽極距離和半徑的比值d/r呈現良好的線性正比關係，且可以表示成 。且外在幾何條件相近的形況下，閉口尖端型的β0 = 1.02，閉口圓弧型β0 = 33.34。

In this experiment, we used the method of electron-beam lithography to make the field emission samples of close-tipped multiwalled individual carbon nanotubes. After getting the samples, we measured them in high vacuum system and used the Flower-Nordheim equation to analyze the data. Than we can get the field enhancement factor β and field emission turn-on voltage Vto. We focused on the relationship between the field enhancement factor β、turn-on voltage Vto and the geometric condition of our field emission samples.

After measured these samples successfully, the tips of these samples can be divided into two types：”closed-tipped with tapering end” and “close-tipped with circular end”. Ultimately, we observed the results: There is positive -2 square correlation between field enhancement factor β and radius of carbon nanotubes r .We also obtained the linear correlation between field enhancement factor β and ratio d/r. This d is the distance between the nanotubes tip and its counter-anode. The relationship follows the linear equation : β =β0 .At the state of similar geometry conditions, the β0 of ”closed-tipped with tapering end” is 1.02; the β0 of “close-tipped with circular end” is 33.34.

第一章 前言 1
1.1奈米碳管簡介 1
1.2奈米碳管的應用與發展前景 3
1.3實驗動機 5
第二章 實驗原理與理論 6
2.1 場發射原理 6
2.1.1 內部電子狀態 6
2.1.2 電子發射 7
2.2 Fowler-Nordheim方程式 9
2.3場增強因子理論 12
第三章 樣品製備與量測 14
3.1實驗儀器介紹 14
3.1.1掃瞄式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope ; SEM) 14
3.1.2 場發射電子顯微鏡(Field Emission- Scanning Electron Microscope ; FE-SEM) 16
3.1.3原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope) 17
3.1.4 熱蒸鍍系統(Thermally Evaporation) 18
3.1.5 旋轉塗佈機(Spin Coater) 19
3.1.6 金屬打線機（Ball Bonder） 20
3.1.7 真空量測系統 21
3.2 樣品製備 23
3.2.1奈米碳管來源 23
3.2.2 基板製程 23
3.2.3 碳管定位金點製程 24
3.2.4 奈米碳管溶液 26
3.2.5 奈米碳管定位 27
3.2.6 電極設計 28
3.2.7 光阻塗佈 29
3.2.8 電子束微影 29
3.2.9 顯影 30
3.2.10 金屬蒸鍍 31
3.2.11 舉離 31
3.2.12 拍攝FE-SEM 33
3.2.13 AFM修飾樣品 35
3.3 樣品量測 38
3.3.1 樣品打線 38
3.3.2 樣品量測 38
第四章 量測結果與分析 41
4.1 樣品量測與分析 41
4.1.1 樣品簡述 41
4.1.2 基板漏電流量測 43
4.1.3分析過程 44
4.2 閉口尖端型數據 47
4.2.1 樣品A1 47
4.2.2 樣品A2 50
4.2.3 樣品A3 53
4.2.4 樣品A4 56
4.2.5 樣品A5 59
4.2.6 樣品A6 62
4.2.7 樣品A7 65
4.2.8 樣品A8 68
4.3 閉口圓弧型數據 72
4.3.1 樣品B1 72
4.3.2 樣品B2 75
4.3.3 樣品B3 78
4.3.4 樣品B4 81
4.3.5 樣品B5 84
4.3.6 樣品B6 87
4.4 分析討論 91
4.4.1 場增強因子的比較 91
4.4.2 場增強因子β對H和r的關係 91
4.4.3場增強因子β對d和r的關係 93
4.4.4 啟動電壓Vto的討論 95
第五章 結論 98
參考文獻 100









圖目錄

圖1.1 單壁奈米碳管結構示意圖 2
圖1.2 多壁奈米碳管尖端HR-TEM照片 2
圖2.1 金屬位能井模型......................................6
圖2.2 外加電場下能障 8
圖3.1 SEM和e-beam系統圖 15
圖3.2 SEM主體 16
圖3.3 AFM系統 18
圖3.4 熱蒸鍍系統 19
圖3.5旋轉塗佈機 20
圖3.6 金屬打線機 21
圖3.7 真空量測系統 22
圖3.8 矽基板圖 24
圖3.9 金點設計圖 25
圖3.10 金點完成圖 26
圖3.11 奈米碳管定位圖 28
圖3.12 樣品完成圖 33
圖3.13 樣品FE-SEM圖 34
圖3.14 碳管尖端FE-SEM圖 34
圖3.15 修正前樣品圖 35
圖3.16 修正前AFM圖 36
圖3.17 修正後AFM圖 36
圖3.18 修正後SEM圖 37
圖3.19 樣品打線圖 38
圖3.20 量測示意圖 40
圖4.1 (a)閉口圓弧形 (b)閉口尖端形 41
圖4.2 樣品幾何示意圖 42
圖4.3 漏電流量測 43
圖4.4 樣品場發I-V圖 44
圖4.5 log(I/V2)對1/V作圖 45
圖4.6 局部放大圖 45
圖4.7 F-N理論fit直線 46
圖4.8 樣品A1場發SEM圖 47
圖4.9 樣品A1尖端 48
圖4.10 樣品A1場發射I-V圖 48
圖4.11 樣品A1的log(I/V2)對1/V做圖 49
圖4.12 F-N理論fit直線 49
圖4.13 樣品A2場發SEM圖 50
圖4.14 樣品A2尖端 51
圖4.15 樣品A2場發射I-V圖 51
圖4.16 樣品A2的log(I/V2)對1/V做圖 52
圖4.17 F-N理論fit直線 52
圖4.18 樣品A3場發SEM圖 53
圖4.19 樣品A3尖端 54
圖4.20 樣品A3場發射I-V圖 54
圖4.21 樣品A3的log(I/V2)對1/V做圖 55
圖4.22 F-N理論fit直線 55
圖4.23 樣品A4場發SEM圖 56
圖4.24 樣品A4尖端 57
圖4.25 樣品A4場發射I-V圖 57
圖4.26 樣品A4的log(I/V2)對1/V做圖 58
圖4.27 F-N理論fit直線 58
圖4.28 樣品A5場發SEM圖 59
圖4.29 樣品A5尖端 60
圖4.30 樣品A5場發射I-V圖 60
圖4.31樣品A5的log(I/V2)對1/V做圖 61
圖4.32 F-N理論fit直線 61
圖4.33 樣品A6場發SEM圖 62
圖4.34 樣品A6尖端 63
圖4.35 樣品A6場發射I-V圖 63
圖4.36 樣品A6的log(I/V2)對1/V做圖 64
圖4.37 F-N理論fit直線 64
圖4.38 樣品A7場發SEM圖 65
圖4.39 樣品A7尖端 66
圖4.40 樣品A7場發射I-V圖 66
圖4.41樣品A7的log(I/V2)對1/V做圖 67
圖4.42 F-N理論fit直線 67
圖4.43 樣品A8場發SEM圖 68
圖4.44 樣品A8尖端 69
圖4.45 樣品A8場發射I-V圖 69
圖4.46樣品A8的log(I/V2)對1/V做圖 70
圖4.47 F-N理論fit直線 70
圖4.48 樣品B1場發SEM圖 72
圖4.49 樣品B1尖端 73
圖4.50 樣品B1場發射I-V圖 73
圖4.51 樣品B1的log(I/V2)對1/V做圖 74
圖4.52 F-N理論fit直線 74
圖4.53 樣品B2場發SEM圖 75
圖4.54 樣品B2尖端 76
圖4.55 樣品B2場發射I-V圖 76
圖4.56 樣品B2的log(I/V2)對1/V做圖 77
圖4.57 F-N理論fit直線 77
圖4.58 樣品B3場發SEM圖 78
圖4.59 樣品B3尖端 79
圖4.60 樣品B3場發射I-V圖 79
圖4.61 樣品B3的log(I/V2)對1/V做圖 80
圖4.62 F-N理論fit直線 80
圖4.63 樣品B4場發SEM圖 81
圖4.64 樣品B4尖端 82
圖4.65 樣品B4場發射I-V圖 82
圖4.66 樣品B4的log(I/V2)對1/V做圖 83
圖4.67 F-N理論fit直線 83
圖4.68 樣品B5場發SEM圖 84
圖4.69 樣品B5尖端 85
圖4.70 樣品B5場發射I-V圖 85
圖4.71 樣品B5的log(I/V2)對1/V做圖 86
圖4.72 F-N理論fit直線 86
圖4.73 樣品B6場發SEM圖 87
圖4.74 樣品B6尖端 88
圖4.75 樣品B6場發射I-V圖 88
圖4.76 樣品B6的log(I/V2)對1/V做圖 89
圖4.77 F-N理論fit直線 89
圖4.78 場增強因子β對H做圖 92
圖4.79 場增強因子β對r做圖 92
圖4.80 場增強因子β對H/r做圖 93
圖4.81 場增強因子β對d做圖 94
圖4.82 場增強因子β對d/r做圖 94
圖4.83 啟動電壓對β作圖 95
圖4.84 啟動電壓對H作圖 96
圖4.85 啟動電壓對d作圖 96

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