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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:翁政輝
研究生(外文):Cheng-hui Weng
論文名稱:電感耦合式電漿輔助化學氣相沉積系統中奈米碳管的成長與臨場後處理及拉曼光譜分析
論文名稱(外文):The growth and in-situ post-treatment of carbon nanotubes in ICP-CVD system and the Raman analysis
指導教授:蔡春鴻蔡春鴻引用關係柳克強
指導教授(外文):Chuen-horng TsaiKeh-chyang Leou
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:167
中文關鍵詞:奈米碳管後處理電漿輔助化學氣相沈積場發射微拉曼光譜儀
外文關鍵詞:Carbon nanotubePost-treatmentPlasma-enhanced chemical vapor depositionField emissionMicro-Raman spectroscopy
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自從奈米碳管 (Carbon Nanotubes, CNTs) 於1991年被發現以來,由於其特殊的幾何結構,不論在物性或化性上來說,均有異於以往一般材料優異的特性。其中,其優越的場發射特性不論在啟始電場、場發射電流密度、長時間的穩定性等均較以往常用來作為場發射電子源的材料,如鉬針尖、矽針尖、或鑽石薄膜等為佳;作為場發射電子源或場發射顯示器 (Field Emission Display, FED) 的應用,是目前相當有潛力與元件製程整合的產品。畢竟,一個新的材料的重要性除了在純學術上的基礎研究外,能否與現今元件的半導體製程整合更是認定其是否“實至名歸”的一個重要因素。
目前主要初始型的 FED,製作方式多是利用“電弧放電法”合成大量的單壁或多壁奈米碳管,混以銀膠後利用厚膜製程中網印 (screen-printing) 的方式將碳管塗佈至玻璃面板上。然而,以電弧放電法合成出來的碳管多混有許多的雜相的碳,需要再加以純化;且其製程的可控制變因相當的少,很難良好控制合成碳管的特性。除此之外,利用塗佈的方式製作CNT-FED,其“均勻度”一直是為人詬病的地方;因此,有效能控制碳管成長的方法是必要被發展的。 目前則以“催化劑式化學氣相沈積法”(Catalytic Chemical Vapor Deposition, CCVD) 最廣泛的被使用,因其能藉由催化劑薄膜的處理、控制,或製程參數的調變來控制碳管的品質或特性,也易與目前顯示器的製程整合。本實驗室成功利用“電漿輔助式CVD”(Plasma-Enhanced CVD, PECVD) 以及“熱裂解式CVD”(Thermal Pyrolysis CVD, TPCVD) 的方式,合成出圖案化且垂直基板成長的奈米碳管薄膜 (pattern-aligned CNT films)。在這兩種方法中,前者由於有電漿的幫助與電漿鞘層電位的形成,又具有“在低溫下合成碳管”以及“碳管垂直基板成長”等優勢,為本研究主要使用的系統。
然而,碳管其場發射特性卻可能因為 (1) 頂端催化金屬顆粒的存在,限制了碳管頂端的曲率半徑或其長寬比 (aspect ratio); (2) 過多非晶質碳 (amorphous carbon, a-C) 的產生;或 (3) 與基板的接觸性不好等因素而不佳。本文所要研究的方向,是針對本實驗室PECVD系統中所成長碳管,嘗試以電漿後處理的方式,改善其場發射特性。此外為了避免在應用上增加多餘的成本,以及因破真空而增加不確定的因素,最後並探討臨場 (in-situ) 後處理製程的可行性。
在本文中,我們成功以單純物理性的氬氣電漿離子後處理碳管,達成改善場發射特性的目的。碳管由於物理性的轟擊效應而改變其原本柱狀的結構而成為圓錐狀的結構,原本位於頂端的催化金屬顆粒亦由於離子轟擊的關係而消失。我們提出一個“共同蝕刻-沈積機制”(co-sputtering/deposition mechanism) 去解釋碳管在非反應性離子轟擊下對於其形貌上的改變,另外也歸納幾個“可能”影響其場發射行為的因子,包括有密度的改變(場遮蔽效應)、電子場發射尖端的曲率(局部的場增強效應)、特殊物質的覆蓋(提供電子穿遂窗口)等。在臨場製程的可行性上,初步的實驗結果中顯示了與非臨場製程相同的趨勢,因此預測其在場發射特性上會有所改善,驗證了此類電漿臨場後處理在製程應用上的可行性。
摘要.......................................................i
第一章 緒論 ..........................................14
1-1 奈米碳管 (Carbon Nanotubes, CNTs)...............14
1-2 奈米碳管的合成..................................17
1-2-1 電弧放電法 (Arc Discharge Method) 與雷射剝蝕法 (Laser Ablation Method)..................................17
1-2-2 催化劑式化學氣相沈積法 (Catalytic Chemical Vapor Deposition, CCVD)........................................18
1-2-3 CCVD製程中奈米碳管可能的成長機制................20
1-3 奈米碳管的性質與應用............................22
1-3-1 奈米碳管的性質..................................22
1-3-2 奈米碳管“可能的”應用..........................23
參考文獻.................................................26

第二章 研究方法.......................................27
2-1 研究方法概述....................................27
2-1-1 CCVD-CNTs不利於場發射應用的因素.................28
2-1-2 後處理方法的選擇................................33
2-2 文獻回顧 – 後處理製程..........................37
2-2-1 電漿後處理......................................37
2-2-2 熱後處理........................................46
2-2-3 後處理製程文獻總結..............................49
2-3 合成與後處理之系統..............................52
2-3-1 電感耦合式電漿的基本原理........................52
2-3-2 高密度電漿源之ICP-CVD系統設備...................55
2-3-3 表面溫度的量測與校正............................58
參考文獻.................................................59

第三章 檢測工具之設備與理論分析 – 拉曼光譜與場發射測........................................................61
3-1 微拉曼光譜學 (Micro-Raman Spectroscopy).........62
3-1-1 拉曼效應 (Raman Effect).........................63
3-1-2 拉曼散射的古典與量子模型........................64
3-1-3 碳材料的拉曼光譜與分析..........................73
3-1-4 量測設備與拉曼分析..............................80
3-2 場發射量測......................................87
3-2-1 場發射的理論背景................................88
3-2-2 奈米碳管的場發射................................93
3-2-3 量測設備與場發射分析............................96
參考文獻................................................100

第四章 結果與討論....................................102
4-1 後處理之標準成長製程 – Baselines for treatment...............................................102
4-2 後處理“非”臨場製程...........................108
4-2-1 實驗簡介.......................................108
4-2-2 後處理時間的效應...............................109
4-2-3 後處理偏壓大小的效應...........................119
4-3 後處理與場發射增強機制.........................127
4-3-1 後處理結構轉變的機制 – A co-sputtering-deposition process......................................127
4-3-2 可能的場發射增強機制 – The influence of coatings/coverage on field emission.....................137
4-4 後處理臨場製程.................................144
4-4-1 簡介...........................................144
4-4-2 成長製程的討論.................................145
4-4-3 臨場後處理製程的可行性.........................147
參考文獻................................................154

第五章 總結與未來展望................................155
5-1 總結...........................................155
5-2 未來展望.......................................157
5-2-1 臨場製程 – 密度與場發射特性的控制.............157
5-2-2 反應性電漿後處理製程...........................158
5-2-3 光譜技術於SWNTs材料檢測上的應用................161
參考文獻................................................163

參考文獻列表.............................................164
第一章
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[12] M. Yumura et al, Diamond Relat. Mater. 8, 785. (1999)
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第二章
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第三章
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[37] 林春佐,國立清華大學 工程與系統科學系碩士論文。(中華民國九十二年)
[38] M. Shiraishi and M. Ata, Carbon 39, 1913. (2001)
[39] J. M. Bonard et al, Phys. Rev. Lett. 89, 197602. (2002)
[40] J. M. Bonard et al, Phys. Rev. B 67, 115406. (2003)
[41] V. V. Zhirmov et al, J. Vac. Sci. Technol. B 19(1), 87. (2001)

第四章
[1] 魏鴻文,國立清華大學 工程與系統科學系博士班研究計畫書。(中華民國九十二年)
[2] 魏銘德,國立清華大學 工程與系統科學系碩士論文。(中華民國九十三年)
[3] 林囿延,國立清華大學 工程與系統科學系碩士論文初稿。(中華民國九十三年三月)
[4] V. V. Zhirnov et al, Appl. Surf. Sci. 94/95, 123. (1996)
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[8] R. Schlesser et al, Appl. Phys. Lett. 70, 1596. (1997)
[9] 董建宏,國立清華大學 工程與系統科學系碩士論文初稿。(中華民國九十三年三月)
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第五章
[1] 林春佐,國立清華大學 工程與系統科學系碩士論文。(中華民國九十二年)
[2] http://www.iuvsta.org/IUVSTA_Educational_Material.html
[3] 董建宏,國立清華大學 工程與系統科學系碩士論文初稿。(中華民國九十三年三月)
[4] M. S. Dresselhaus et al, Carbon 40, 2043. (2002)
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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