臺灣博碩士論文加值系統

多孔性陽極氧化鋁膜(PAA)經由陽極處理技術產生大量奈米尺度之多孔結構，其孔洞高度與直徑是可控制的，目前為止尚未有PAA/Ti/Si形成之奈米孔洞陣列的研究報告提出，本文主要研究不同金屬中間層的PAA膜之電流密度分佈對於PL(Photo-Luminescence)發光特性的影響。
我們使用濺鍍於p型矽基板上之高純度鋁膜 (約 2.0 um)與中間層加入鈦或鎢(約 300 nm)的樣本，鈦與鎢的薄膜介於矽基板與鋁模之間形成，得到 鋁/鈦/矽 跟 鋁/鎢/矽 結構。陽極處理使用固定溫度5 °C而濃度為 0.3M的草酸溶液，外部施加 40V固定電壓然後可得大小約 50 nm 直徑之孔洞。由紀錄器產生之電流-時間曲線圖發現 PAA/Ti/Si 和 PAA/W/Si 之電流密度高於AAO/Si，進一步觀察發現，使用草酸溶液備製的PAA膜在電壓固定狀態下，呈現出氧化層生長速率增加以及電流密度增加的情形。由XRD 實驗結果發現高電流密度的多孔性陽極氧化鋁膜在內部不同材質的結構有較多氧化鋁產生。此外， 我們從分析PL實驗得到結論當電流密度上昇，於F+中心的PL強度也會變大是因為再結晶過程中，氧化鋁內部的氧空缺得到填補而減少F+缺陷。

Porous anodic alumina (PAA) film which produced by the anodization technique has a nano-scale porous structure in mass production and the pore height and diameter are controllable. This work aims to study effect of current density on luminescence properties of porous anodic alumina. Metal interlayer was observed to have significant influences on porous anodic alumina. We used highly pure Al film (about 2.0 μm) which was deposited on the p-type silicon substrate and coated with a Ti and W metal interlayer (about 300 nm) by radio frequency sputtering. The anodization was carried out in 0.3 M oxalic acid solution at 5 °C temperature, 40 V for about 50 nm pores in diameter. A layer of thin Ti and W film was sandwiched between a silicon substrate and an Al film to form the Al/Ti/Si and Al/W/Si structure. Current–time (I–t) curve was obtained on a recorder. The PAA/Ti/Si and PAA/W/Si had current density higher than AAO/Si. Further studies into the growth kinetics of porous layers which formed by anodization in oxalic acid under galvanostatic conditions have shown that the rate of growth of the oxide layer increases with increasing current density. From the XRD experiment consequence can discover that PAA of higher current density have more Aluminum oxide in the inside different substance structure. Besides, we get the consequence from analyzing PL experiment when a current density rise, the PL intensity of F+ center getting increase and that because during re-crystallize, oxygen will make up the oxygen vacancy of Aluminum oxide’s inside and reduce F+ defect.

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口試委員會審定書
授權書 iii
中文摘要 iv
Abstract v
誌謝 vi
目錄 vii
圖目錄 ix
表目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究動機 3
第二章 相關文獻資料回顧 4
2.1奈米材料研究背景 4
2.2 多孔氧化鋁(Porous Anodic Alumina) 7
2.3 多孔氧化鋁結構與生長機制 8
2.4 多孔氧化鋁成份與發光機制 17
第三章 實驗原理與方法 21
3.1 實驗材料與機台設備 21
3.2 實驗製作流程 21
3.3 量測系統與實驗原理 25
3.3.1 X射線繞射量測(X-ray Diffraction)[15] 25
3.3.2 場發射式掃描試電子顯微鏡(FE-SEM) 28
3.3.3 變溫光激發螢光光譜量測系統(Photoluminescence PL) 33
第四章 量測分析 36
4.1 樣品備製之電流時間曲線圖分析 36
4.2 SEM量測 36
4.3 XRD繞射儀分析 37
4.4 低溫光激發螢光光譜分析 37
4.5光激光譜歸一化積分強度分析 38
4.6 變溫光激發光譜積分強度之Arrhenius分析 39
第五章 結論 49
參考文獻 51

圖目錄
圖2.1.1 材料奈米化效應 6
圖2.1.2 不同結構之能態密度分佈 7
圖2.3.1 多孔氧化鋁結構示意圖(a)正面結構圖(b)結構圖底部 9
圖2.3.2所示於0.3M草酸液中供以(a)40V(b)60V與(c)80V之氧化電壓 10
圖2.3.3所示為陽極氧化電壓對自組孔徑與不同電解液的關係圖 10
圖2.3.4所示(a)草酸(b)硫酸(c)磷酸陽極電解液備製之氧化鋁膜…....11
圖2.3.3 氧化膜表面電場分佈圖(a)初始電場(b)穿透路徑形成(c)局部電場集中之過程圖 12
圖2.3.6 氧化鋁膜孔洞形成之穩定成長圖 13
圖2.3.7 多孔氧化鋁剖面示意圖 15
圖2.3.8 定電流模式與定電壓模式下電壓/氧化時間、電流密度/氧化時間曲線圖 16
圖2.3.9 氧化鋁表面形成孔洞過程示意圖 17
圖2.4.1 分子間能量轉移示意圖 20
圖3.2.1DC 濺鍍機(AMAT Endura Blue PVD System) 22
圖3.1.1 恆溫循環水槽 23
圖3.2.2 陽極處理實驗架構圖 24
圖3.2.4 樣品備制示意圖 25
圖3.3.1 X射線繞射分析儀構造 26
圖3.3.2 布拉格繞射 27
圖3.3.3 FE-SEM設備圖 29
圖3.3.4 場發射掃描式電子顯微鏡架構圖 30
圖3.3.5 FE-SEM成像原理示意圖 31
圖3-5 電子穿入試片內的縱向深度 32
圖3.3.6 變溫光激發螢光系統架設圖 34
圖4.1.1為三種樣品(PAA/Si, PAA/Ti/Si, PAA/W/Si)的電流-時間曲線圖 41
圖4.2.1多孔氧化鋁FE-SEM表面拍攝圖 41
圖4.3.1 XRD分析圖 43
圖4.4.1呈現3個多孔氧化鋁樣本的光激發螢光光譜圖 44
圖4.5.1 在20K下歸一化後F與F+中心強度對不同樣本作圖 45
圖4.6.1顯示F+發光中心的PL積分強度對溫度的活化能關係 46
圖4.6.2顯示F發光中心的PL積分強度對溫度的活化能關係 47

表目錄
表2.4.1 氧化鋁內部異質結構種類 18
表3.2.1 定電壓製作條件 22
表3.3.1 光激發螢光量測參數條件 35
表4.6.1樣品活化能值 48

參考文獻
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