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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張坤諒
研究生(外文):Kuen-Liang Chang
論文名稱:利用電化學製程將奈米碳材應用於場發射前驅材料製作及其機制探討
論文名稱(外文):The Preparation of Nano-Carbon Material in Field Emission Electrode by Electrochemical process
指導教授:徐開鴻宋健民宋健民引用關係
指導教授(外文):KaiHungHsuJames C. Sung
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:材料及資源工程系碩士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
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:218
中文關鍵詞:電泳複合電鍍奈米碳材電泳鍍
外文關鍵詞:phoresiscomposite electroplatingnano-carbon materialelectrophoretic coating
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本研究利用電化學方法進行奈米碳材場發射前驅材料的初步製作研究。本實驗使用電泳鍍-電鍍兩階段製程及複合電鍍製程,在實驗中先以丙酮及奈米碳材調配成電泳鍍液,改變外加電壓的大小進行鍍著,隨後再以電鍍銅製程將奈米碳材穩固包覆住,來得到不同形貌的鍍層表面;複合電鍍則是以硫酸銅鍍液及奈米碳材調配而成複合電鍍鍍液。最後再利用SEM、OM、RAMAN光譜及EDS進行基礎的性質觀察及量測,藉以了解銅-奈米碳材複合鍍層的特性,作為以後發展奈米碳材場發射前驅材料之依據。
由本實驗可發現一些特殊的表面現象,諸如:特殊的亮點、表面的某些凝團位置具有極高的碳原子含量等。在鍍層的鍵結種類中發現具有奈米碳管、C60及奈米鑽石的存在,並且不同鍍層位置所具有的鍵結種類不同。特別在凝團位置方面,在本研究中發現特定表面形貌的凝團具有極高碳原子含量,並且經由Raman光譜檢測可確定其為奈米碳材的大量集中位置。經由本研究可知本實驗之電泳鍍-電鍍製程具有製作奈米碳材場發射前驅材料之潛力。
The objective of this project is to prepare of nano-carbon material in field emission electrode by electrochemical process. Using two step processes of electrophoretic coating-electroplating, and compare with composite electroplating simultaneously. On purpose to obtain different film morphology, first to use as acetone and nano-carbon material to allocate the solution of electrophoretic coating, changing voltage in processes of electrophoretic coating-electroplating,then cover the nano-carbon material in copper-electroplating. Preparation of composite electroplating bath by cupric sulfate and nano-carbon material. For the purpose of to know the properties of copper nano-carbon material composite film and in actions to develope nano-carbon material in field emission electrode, to employ the based properties examination and meansurment by SEM、 RAMAN spectrum and EDS finally.
Some special surface phenonmenon can found in this study, such as:the particular light spot、some aggolomerate on surface to own the extreme high carbon content, etc. We found the bonding CNT, C60 and nano diamond existance in film. And a different film site, a different kinds of bonding, unusual the aggolomerate. Sinces the Raman spectrum detect, we decided that find specific morphology of the aggolomerate is the site of a large number nano-carbon material to centralize, and this study has potential to prepare of nano-carbon material in field emission electrode.
目 錄
中文摘要 i
英文摘要ii
致謝iv
目錄v
表目錄x
圖目錄ix
第一章 緒論 ˙1
1.1前言 1
1.2電化學製程製作場發射元件利基市場分析˙4
參考文獻 6
第二章 原理及文獻回顧探討15
2.1分散概論˙15
2.1.1電雙層理論17
2.1.1.1電雙層理論17
2.1.1.2懸浮系統中粉體顆粒的交互作用力-DLVO理論19
2.1.2摩擦 24
2.1.2.1複合顆粒之間摩擦作用25
2.1.2.2複合顆粒與溶液之間的摩擦作用 27
2.1.3 超音波法(Ultrasonic process) 30
2.1.4界面活性劑 31
2.1.5總結32
2.2碳材料簡介33
2.2.1鑽石33
2.2.2石墨35
2.2.3類鑽碳35
2.2.4富勒烯36
2.2.5奈米碳管 37
2.2.6零維奈米碳材38
2.2.6.1零維奈米碳材製備法38
2.2.6.2零維奈米碳材之性質40
2.3複合電鍍及電泳鍍原理 41
2.3.1電沉積原理 41
2.3.1.1金屬電沉積原理41
2.3.1.2電鍍銅特性43
2.3.2複合電鍍43
2.3.3電泳鍍48
參考文獻51
第三章 實驗方法84
3.1實驗藥品、材料 84
3.2實驗設備 84
3.3檢測設備84
3.4實驗細目85
3.4.1銅基材85
3.4.2陽極85
3.4.3操作條件 85
3.4.4銅基材前處理 85
3.4.5電鍍設備 86
3.4.6鍍液化學組成86
3.5性質觀察檢測 86
3.5.1 SEM觀察87
3.5.2元素含量分析87
3.5.3鍵結種類鑑定87
第四章 電泳鍍-電鍍製程結果與討論 96
4.1 SEM觀察 96
4.1.1電壓1V  96
4.1.2 電壓5V  97
4.1.3 電壓10V97
4.1.4電壓50V 97
4.1.5電壓100V98
4.1.6電壓500V100
4.2亮點顆粒電子束忍耐度101
4.3 拉曼分析結果102
4.3.1奈米碳材103
4.3.2 500V 103
4.3.3 100V 104
4.3.4 50V 106
4.3.5 10V 107
4.3.6 5V 108
4.3.7 1V 109
4.4大的亮點顆粒元素分析結果110
4.5元素含量分析結果111
參考文獻112
第五章 複合電鍍製程結果與討論169
5.1 SEM觀察196
5.1.1電壓1V 169
5.1.2 電壓5V 170
5.1.3 電壓10V 171
5.1.4電壓50V 171
5.1.5電壓100V 172
5.1.6電壓500V 172
5.1.7總結 173
5.2亮點顆粒電子束忍耐度 173
5.3 拉曼分析結果 174
5.4元素含量分析結果 175
參考文獻 177
第六章 綜合討論 204
6.1 電泳鍍及複合電鍍機制模型建立 204
6.2 銅-奈米碳材複合鍍層產生場發射之機制 208
參考文獻 210
第七章 結論 218
表目錄
表1-1 奈米晶粒表面原子數與表面能量估計12
表1-2 奈米材料的相關分類13
表2-1 零維奈米碳材的沈降分級80
表2-2 鑽石的各種性質81
表2-3 鑽石合成的路徑
表2-4 奈米粉末的加熱質量損失及比表積變化82
表2-5 添加奈米級粉末前後的各種鍍層性質比較82
表2-6 電泳鍍與複合電鍍比較 83
表2-7 各種有機溶劑之介電常數83
表3-1 電泳度之條件95
表3-2 銅電鍍之條件95
表3-3 複合電鍍之條件95
表4-1 EDS檢測碳含量(at%)之結果145
圖目錄
圖1-1 FED與CRT之構造8
圖1-2 Talin等人所得之場發射尖端9
圖1-3 Chung等人所得之場發射尖端9
圖1-4 Shyu等人所得之場發射尖端10
圖1-5 Merkulov等人所得之場發射尖端10
圖1-6 Ren等人所得之場發射尖端11
圖1-7 Papadopoulos等人所得之場發射尖端12
圖2-1 化學法製備粉體顆粒示意圖 55
圖2-2 電雙層示意圖 56
圖2-3 粒子表面電雙層模型 56
圖2-4 Al2O3溶於水中之IEP示意圖57
圖2-5 數種不同材料在不同pH下之Zeta-potential分布52
圖2-6 膠體粒子之間的總位能(UT)與膠體粒子間距離(D)的關係曲線
58
圖2-7 壓痕器與材料接觸之各種情況 59
圖2-8 磨輪研削示意圖 60
圖2-9 單粒磨料研磨刮痕示意圖60
圖2-10 (a)靜態工件荷重(b)單粒磨料通過脆性材料在工件內部和表面產生裂縫型態之示意圖 61
圖2-11 鑽石彼此摩擦之原子尺度示意圖 62
圖2-12 DLC彼此摩擦模擬圖63
圖2-13 流體的流變行為示意圖64
圖2-14 觸變性流體特性曲線圖 64
圖2-17 碳原子電子軌域結構示意圖 65
圖2-18 各種固體碳結構示意圖66
圖2-19 合成之固體碳結構示意圖 67
圖2-20 洋蔥狀碳TEM照片 68
圖2-21 鑽石異於其他材料之特性 69
圖2-22 鑽石之應用 70
圖2-23 典型半導體能階圖 71
圖2-24 石墨的三種排列層序 72
圖2-25 類鑽碳結構示意圖73
圖2-26 單壁碳管平面結構圖74
圖2-27 理想之單壁碳管立體結構 74
圖2-28 多壁碳管立體結構圖75
圖2-29 震波合成法示意圖 75
圖2-30 蘇聯學者之零維奈米碳材X-ray繞射圖76
圖2-31 蘇聯學者之零維奈米碳材粒徑分析結果 76
圖2-32 蘇聯學者之零維奈米碳材受熱損失結果 77
圖2-33 蘇聯學者之零維奈米碳材電阻測試結果 77
圖2-34 蘇聯學者之零維奈米碳材受熱損失成分分析結果 78
圖2-36 機械俘獲原理示意圖 78
圖2-37 電泳原理示意圖 79
圖2-38 Guglielmi所建立之兩階段吸附理論示意圖 79
圖3-1 電泳鍍-電鍍實驗流程略圖 91
圖3-2 複合電鍍實驗流程略圖 92
圖3-3 電鍍設備示意圖93
圖3-4 EDS之試片量測位置示意圖 93
圖3-5 拉曼(Raman)光譜儀實體構造圖94
圖4-1(a) 電壓1V 200倍SEM照片113
圖4-1(b) 電壓1V 500倍SEM照片113
圖4-1(c) 電壓1V 1000倍SEM照片 114
圖4-1(d) 電壓1V 3500倍SEM照片 114
圖4-1(e) 電壓1V 10000倍SEM照片115
圖4-1(f) 電壓1V 80000倍SEM照片115
圖4-2(a) 電壓5V 200倍SEM照片116
圖4-2(b) 電壓5V 500倍SEM照片116
圖4-2(c) 電壓5V 1000倍SEM照片117
圖4-2(d) 電壓5V 3500倍SEM照片 117
圖4-2(e) 電壓5V 10000倍SEM照片 118
圖4-2(f) 電壓5V 80000倍SEM照片 118
圖4-3(a) 電壓10V 200倍SEM照片119
圖4-3(b) 電壓10V 500倍SEM照片119
圖4-3(c) 電壓10V 1000倍SEM照片 120
圖4-3(d) 電壓10V 3500倍SEM照片 120
圖4-3(e) 電壓10V 10000倍SEM照片 121
圖4-3(f) 電壓10V 80000倍SEM照片 121
圖4-4(a) 電壓50V 200倍SEM照片122
圖4-4(b) 電壓50V 500倍SEM照片 122
圖4-4(c) 電壓50V 1000倍SEM照片 123
圖4-4(d) 電壓50V 3500倍SEM照片 123
圖4-4(e) 電壓50V 10000倍SEM照片124
圖4-4(f) 電壓50V 80000倍SEM照片 124
圖4-5(a) 電壓100V 200倍SEM照片 125
圖4-5(b) 電壓100V 500倍SEM照片125
圖4-5(c) 電壓100V 1000倍SEM照片126
圖4-5(d) 電壓100V 3500倍SEM照片126
圖4-5(e) 電壓100V 10000倍SEM照片127
圖4-5(f) 電壓100V 80000倍SEM照片 127
圖4-5(g) 電壓100V 40000倍SEM照片 128
圖4-5(h) 電壓100V 150000倍SEM照片128
圖4-5(i) 電壓100V 200000倍SEM照片 129
圖4-6(a) 電壓500V 200倍SEM照片129
圖4-6(b) 電壓500V 500倍SEM照片 130
圖4-6(c) 電壓500V 1000倍SEM照片130
圖4-6(d) 電壓500V 3500倍SEM照片131
圖4-6(e) 電壓500V 10000倍SEM照片131
圖4-6(f) 電壓500V 80000倍SEM照片132
圖4-6(g) 電壓500V 40000倍SEM照片132
圖4-6(h) 電壓500V 150000倍SEM照片133
圖4-6(i) 電壓500V 200000倍SEM照片133
圖4-7 將電泳鍍液滴於研磨過之銅基材表面所得之奈米碳材顆粒134
圖4-8(a) 電壓500V所發現的大亮點顆粒剛受到電子束照射135
圖4-8(b) 電壓500V 所發現的大亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後135
圖4-8(c) 電壓500V所發現的中等亮點顆粒剛受到電子束照射136
圖4-8(d) 電壓500V所發現的中等亮點顆粒受到電子束照射20分鐘136
圖4-8(e) 電壓500V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射137
圖4-8(f) 電壓500V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘137
圖4-9(a) 電壓100V所發現的大亮點顆粒剛受到電子束照射138
圖4-9(b) 電壓100V所發現的大亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後138
圖4-9(c) 電壓100V所發現的中等亮點顆粒剛受到電子束照射139
圖4-9(d) 電壓100V所發現的中等亮點顆粒受到電子束照射20分鐘139
圖4-9(e) 電壓100V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射140
圖4-9(f) 電壓100V所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後140
圖4-10(a) 電壓50V所發現的大亮點顆粒剛受到電子束照射141
圖4-10(b) 電壓50V 所發現的大亮點顆粒受到電子束照射20分鐘141
圖4-10(c) 電壓50V所發現的中等亮點顆粒剛受到電子束照射142
圖4-10(d) 電壓50V 所發現的中等亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後142
圖4-10(e) 電壓50V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射143
圖4-10(f) 電壓50V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後143
圖4-11(a) 電壓10V所發現的大亮點顆粒剛受到電子束照射144
圖4-11(b) 電壓10V所發現的大亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後144
圖4-11(c) 電壓10V所發現的中等亮點顆粒剛受到電子束照射145
圖4-11(d) 電壓10V 所發現的中等亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後145
圖4-11(e) 電壓10V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射146
圖4-11(f) 電壓10V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後146
圖4-12(a) 電壓10V所發現的大亮點顆粒剛受到電子束照射147
圖4-12(b) 電壓5V 所發現的大亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後147
圖4-12(c) 電壓5V所發現的中等亮點顆粒剛受到電子束照射148
圖4-12(d) 電壓5V 所發現的中等亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後148
圖4-12(e) 電壓5V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射149
圖4-12(f) 電壓5V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後149
圖4-13(a) 電壓1V所發現的中等亮點顆粒剛受到電子束照射150
圖4-13(b) 電壓1 V所發現的中等亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後150
圖4-13(c) 電壓1V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射151
圖4-13(d) 電壓1V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後151
圖4-14(a) 奈米碳材拉曼光譜152
圖4-14(b) 奈米碳材拉曼光譜152
圖4-15 500V拉曼光譜(a)凝團位置153
圖4-15 500V拉曼光譜(b)稀疏小點位置153
圖4-16 100V拉曼光譜(a)凝團位置154
圖4-16 100V拉曼光譜(b)稀疏小點位置154
圖4-17 50V拉曼光譜(a)凝團位置155
圖4-17 50V拉曼光譜(b)稀疏小點位置155
圖4-18 10V拉曼光譜(a)凝團位置156
圖4-18 10V拉曼光譜(b)稀疏小點位置156
圖4-19 5V拉曼光譜(a)凝團位置157
圖4-19 5V拉曼光譜(b)稀疏小點位置157
圖4-20 1V拉曼光譜(a)凝團位置158
圖4-20 1V拉曼光譜(b)稀疏小點位置158
圖4-21 1V 所觀察到大的亮點顆粒其碳元素含量分析結果159
圖4-22 5V 所觀察到大的亮點顆粒其碳元素含量分析結果160
圖4-23 10V 所觀察到大的亮點顆粒其碳元素含量分析結果 161
圖4-24 50V 所觀察到大的亮點顆粒其碳元素含量分析結果 162
圖4-25 100V 所觀察到大的亮點顆粒其碳元素含量分析結果 163
圖4-26 500V 所觀察到大的亮點顆粒其碳元素含量分析結果 164
圖5-1(a) 電壓1V 200倍SEM照片178
圖5-1(b) 電壓1V 500倍SEM照片178
圖5-1(c) 電壓1V 1000倍SEM照片 179
圖5-1(d) 電壓1V 3500倍SEM照片 179
圖5-1(e) 電壓1V 10000倍SEM照片180
圖5-1(f) 電壓1V 80000倍SEM照片180
圖5-2(a) 電壓5V 200倍SEM照片181
圖5-2(b) 電壓5V 500倍SEM照片181
圖5-2(c) 電壓5V 1000倍SEM照片 182
圖5-2(d) 電壓5V 3500倍SEM照片 182
圖5-2(e) 電壓5V 10000倍SEM照片 183
圖5-2(f) 電壓5V 80000倍SEM照片 183
圖5-3(a) 電壓10V 200倍SEM照片184
圖5-3(b) 電壓10V 500倍SEM照片184
圖5-3(c) 電壓10V 1000倍SEM照片 185
圖5-3(d) 電壓10V 3500倍SEM照片 185
圖5-3(e) 電壓10V 10000倍SEM照片186
圖5-3(f) 電壓10V 80000倍SEM照片186
圖5-4(a) 電壓50V 200倍SEM照片 187
圖5-4(b) 電壓50V 500倍SEM照片187
圖5-4(c) 電壓50V 1000倍SEM照片 188
圖5-4(d) 電壓50V 3500倍SEM照片 188
圖5-4(e) 電壓50V 10000倍SEM照片 189
圖5-4(f) 電壓50V 80000倍SEM照片 189
圖5-5(a) 電壓100V 200倍SEM照片 190
圖5-5(b) 電壓100V 500倍SEM照片 190
圖5-5(c) 電壓100V 1000倍SEM照片 191
圖5-5(d) 電壓100V 3500倍SEM照片 191
圖5-5(e) 電壓100V 10000倍SEM照片192
圖5-5(f) 電壓100V 80000倍SEM照片 192
圖5-6(a) 電壓500V 200倍SEM照片 193
圖5-6(b) 電壓500V 500倍SEM照片193
圖5-6(c) 電壓500V 1000倍SEM照片 194
圖5-6(d) 電壓500V 3500倍SEM照片 194
圖5-6(e) 電壓500V 10000倍SEM照片 195
圖5-6(f) 電壓500V 80000倍SEM照片195
圖5-7(a) 電壓500V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射196
圖5-7(b) 電壓500V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後196
圖5-8(a) 電壓100V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射197
圖5-8(b) 電壓100V所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後197
圖5-9(a) 電壓50V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射198
圖5-9(b) 電壓50V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後198
圖5-10(a) 電壓10V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射199
圖5-10(b) 電壓10V所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後199
圖5-11(a) 電壓5V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後200
圖5-11(b) 電壓5V所發現的小等亮點顆粒剛受到電子束照射200
圖5-12(a) 電壓1V所發現的小亮點顆粒剛受到電子束照射201
圖5-12(b) 電壓1V 所發現的小亮點顆粒受到電子束照射20分鐘後201
圖5-13 100V拉曼光譜(a)凝團位置202
圖5-13 100V拉曼光譜(b)稀疏小點位置202
圖6-1 金屬熔液之固化模型211
圖6-2(a) 類似金屬熔融液體之固化機構212
圖6-2(b) 類似金屬熔融液體之固化機構212
圖6-2(c) 類似金屬熔融液體之固化機構213
圖6-2(d) 類似金屬熔融液體之固化機構213
圖6-2(e) 類似金屬熔融液體之固化機構214
圖6-3(a) 液體中低溶解度顆粒之沉降機構215
圖6-3(b) 液體中低溶解度顆粒之沉降機構215
圖6-3(c) 液體中低溶解度顆粒之沉降機構216
圖6-3(d) 液體中低溶解度顆粒之沉降機構216
圖6-4 Karabuto提出之鑽石場發射機構217
圖6-5 Watanabe提出之鑽石場發射機構217
第一章 參考文獻
〔1〕張立德、牟季美著,奈米材料和奈米結構,滄海書局出版,民國91年6月初版。
〔2〕張志誠,“奈米技術,全面報到”,就業情報,No.319., P43, 2002.
〔3〕Feynman, R.P., The Pleasure of Finding Things Out,“費曼的主張”,吳程遠等人譯,天下文化書坊,P155-190(2001)。
〔4〕呂宗昕著,奈米科技與光觸媒,商周出版,2003年10月13日初版。
〔5〕“奈米技術短波”,工業材料雜誌,第178期,民國90年10月,P70。
〔6〕馬振基主編,奈米材料科技原理與應用,全華科技圖書股份有限公司出版,民國92年12月初版一刷,P1-8-1-9。
〔7〕朱屯、王福明、王習東等編著,奈米材料技術,五南圖書出版股份有限公司出版,民國92年11月初版一刷,P23。
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第四章 參考文獻
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第五章 參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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