臺灣博碩士論文加值系統

自從奈米碳管被發現後，由於其具有許多獨特的特性包括了高張力、高楊氏係數、高場發射效應等，此碳管的應用相較於其他材料更受到學術界與產業界廣泛的注意。合成奈米碳管的方式有許多種，本研究是採用電子迴旋共振式電漿輔助化學氣相沉積法(ECR-CVD)來合成奈米碳管，並希望藉由電漿理論來分析碳管的表面形態與製程參數之關係。
本研究主要目的在於建立本實驗機台合成奈米碳管的最佳製程參數，並提高其再現性，以利後續的碳管研究計畫。在實驗過程中，嘗試改變各種不同實驗參數，其主要可以區分為甲烷與丙烷兩大製程，其中各個製程又可區分為低溫(不加溫)與高溫(500℃)兩大類，在各個分類製程下藉由改變微波功率、成長時間、基板位置、氣體流量比、反應壓力、反應氣體等實驗參數，在儀器分析上，藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)來觀察碳管的表面型態;而拉曼光譜儀與穿透式電子顯微鏡(TEM)則用來分析其微結構，在最佳化的製程條件下已成功合成出準直性良好之奈米碳管，發現在高溫甲烷製程中可以得到結晶與準直性較佳之奈米碳管;而在高溫丙烷製程中較差;當製程操作在低溫下(不加溫)時可以得到大量的碳球、碳片、碳膜、碳棒等碳化合物。在碳源氣體的比較上，在TEM之下我們可以清晰發現其具有中空特性與多壁結構，其層與層之間的距離約為0.34nm，層數約十幾至數十層，其碳管長度在五分鐘製程中約0.5um至2um之間，依其製程參數不同而變，而碳管管徑介於30至50nm之間。

Since the discovery of carbon nanotubes, carbon nanotubes (CNTs) have attracted intensive interest in nanotechnology due to their unique properties, such as high Young modulus, high tensile strength, and high field emission efficiency at low turn-on voltage. Many potential applications use their unique properties, ex. Field emission display (FED). Methods for the synthesis of CNTs include arc-discharge, laser vaporization, thermal chemical vapor deposition (CVD), plasma enhance chemical vapor deposition (PECVD) and electron cyclotron resonance CVD (ECR-CVD). In consideration of the advantages of high dissociation percentage of the precursor gases and high uniformity of plasma energy distribution, the ECR-CVD is adopted for this study.
The purpose of this work is to find out the optimized process parameters concerning the yield, the morphology and microstructure of CNTs. In the course of experiment, different parameters such as microwave power, growth time, the position of substrate, mixed gases ratio, process pressure and carry gases were varied. The main carbon feedstocks were methane and propane. According to research of predecessors, it has been found that CNTs grown at low temperature is possible. Under the optimized condition, we have succeeded in synthesizing carbon nanotubes at low temperature. However, the carbon nanotubes grown at high temperature (500℃) are better than at low temperature (unheated substrate). At low temperature, large number of carbon compounds include carbon ball, carbon slice, carbon membrane and carbon fiber were also found in the films. Besides, the structure and yield of carbon nanotubes grown with methane are better than with propane.
In the instrument analyses, the morphology and microstructure of carbon nanotubes were observed by the scanning electron microscopy (SEM) and by transmission electron microscopy (TEM). From the analysis of TEM, CNTs exhibit the multi-wall character, of that inter-wall distance is 0.34 nm. The inner and outer diameters are about 15 nm and 50 nm, respectively. The average diameter is estimated to be 30~50 nm for CNTs grown on the 3-nm-thick. Under the optimized condition, the deposition rate is 240 nm / min.

目　　次
摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目次 iv
表目錄 vii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 3
第二章 理論基礎與文獻回顧 4
2.1 奈米碳管基本理論 4
2.1.1 奈米碳管之結構 4
2.1.2 奈米碳管之特性 6
2.1.3 奈米碳管之成長機制 6
2.1.4 奈米碳管之合成方法 9
2.1.5 奈米碳管之應用 10
2.2 電漿基本理論 11
2.2.1 碰撞理論 12
2.2.2 電漿物理 13
2.2.3 電漿化學 15
2.2.4 高密度電漿 16
2.2.5 電漿之特性 17
2.2.6 電漿之應用 18
第三章 實驗步驟與實驗設備 21
3.1 實驗流程 21
3.2 實驗設備 22
3.3 實驗材料 26
3.4 實驗步驟 27
3.5 量測分析設備 30
第四章 結果與討論 33
4.1觸媒層前處理對製程影響之探討 33
4.2 反射功率與反應腔體內積碳製程影響之探討 38
4.3 製程參數討論一:丙烷製程 40
4.3.1 低溫(不加溫)丙烷製程 40
4.3.2 高溫(500℃)丙烷製程 48
4.4 製成參數討論二:甲烷製程 53
4.4.1 低溫(不加溫)甲烷製程 53
4.4.2 高溫(500℃)甲烷製程 40
4.4.2.1 成長時間對高溫(500℃)甲烷製程之影響 55
4.4.2.2 微波功率對高溫(500℃)甲烷製程之影響 57
4.4.2.3 氣體比例對高溫(500℃)甲烷製程之影響 59
4.4.2.4 不同氣體流量對高溫(500℃)甲烷製程之影響 62
4.4.2.5 成長壓力對高溫(500℃)甲烷製程之影響 63
4.4.2.6 不同carry gas對高溫(500℃)甲烷製程之影響 68
4.4.2.7 高溫(500℃)甲烷製程之結論 70
4.5 不同碳源氣體對碳管成長之比較 70
第五章 結論與未來展望 73
5.1 結論 73
5.2 未來展望 74
附錄
A.1 實驗機台設備之研討 77
A.2 outgassing對製程影響之探討 85
A.3 後處理對製程影響之探討 86
參考文獻 88

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