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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭名凱
研究生(外文):Ming-Kai Cheng
論文名稱:退火處理對氮化鉭-銅奈米複合薄膜之耐磨性與抗菌性的影響
論文名稱(外文):Effect of annealing on wear-resistant and anti-bacterial properties of TaN-Cu nanocomposite thin films
指導教授:謝章興
指導教授(外文):Jang-Hsing Hsieh
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:化工與材料工程研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:反應式濺鍍退火抗菌性耐磨耗
外文關鍵詞:reactive-sputteringannealinganti-bacterialwear-resistant
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使用反應式濺鍍法,來沉積TaN-Cu複合薄膜於矽基板與M2工具鋼上,薄膜沉積後,利用快速退火爐(Rapid Thermal Annealing)於400C退火,時間分別為2、4和8 min,來誘發銅粒子從TaN-Cu複合薄膜中析出,為了得知,銅粒子的成核及成長情況和分佈的情況,在實驗中利用導電性原子力顯微儀(Conductive-AFM,C-AFM)、掃描表面電位顯微儀(Scanning Surface Potential Microscopy,SSPM)和場發射掃瞄式電子顯微鏡(Field-emission Scanning Electron Microscope,FE-SEM)儀器來進行檢測分析,結論顯示出來,退火可使銅粒子析出於薄膜表面,不同退火將會改變薄膜的硬度及摩擦係數和抗菌性質,銅含量11at.%的抗菌效果高達99%,銅含量1.4at.% 退火8min薄膜的硬度高達27.5GPa。
TaN–Cu nanocomposite films were deposited by reactive co-sputtering on Si and tool steel substrates. The films were then annealed using RTA (Rapid Thermal Annealing) at 400 C for 2、4、8 minutes respectively to induce the nucleation and growth of Cu particles in TaN matrix and on film surface. C-AFM (Conductive Atomic Force Microscopy)、SSPM (Scanning Surface Potential Microscopy)and FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) were applied to characterize Cu nano-particles emerged on the surface of TaN-Cu thin films. The effect of annealing on anti-wear and anti-bacterial properties of these films was studied. The results reveal that annealing by RTA can cause Cu nano-particles to emerge on the TaN surface. Consequently, hardness and friction coefficients will change, as well as the anti-bacterial behavior.,According to the results TaN-11at%Cu has the best anti-bacterial behavior (reach >99%),While TaN-1.4at% has the highest hardness at 27.5 GPa,after 8-minute annealing。
目 錄
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員審定書 ii
明志科技大學學位論文授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
英文摘要 vi
目錄 vii
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧 4
2-1 微生物簡介 4
2-1.1 細菌簡介 4
2-1.2 大腸桿菌 5
2-1.3 金屬離子的抗菌機制 6
2-1.4 奈微米金屬粒子的尺寸效應 7
2-1.5 抗菌材料分類 8
2-1.6 抗菌材料應用 8
2-2 奈米薄膜 9
2-2.1 奈米複合多層薄膜簡介 9
2-2.2 奈米晶複合薄膜簡介 12
2-2.3 奈米複合薄膜之性能與特點 16
2-2.4 氮化鉭奈米複合薄膜之結構與特性 18
2-3 濺鍍原理 20
2-3.1 電漿產生原理 20
2-3.2 電漿產生源 21
2-3.3 直流濺鍍(DC sputtering) 21
2-3.4 射頻濺鍍(RF sputtering) 22
2-3.5 反應性濺射 23
第三章 實驗步驟及儀器設備 25
3-1 實驗流程 25
3-2 實驗耗材料 26
3-3 基板清洗流程 27
3-4 製程設備 28
3-4.1 濺鍍系統簡介 28
3-4.2 濺鍍步驟與實驗參數 29
3-4.3 濺鍍步驟 29
3-4.4 快速退火爐簡介 30
3-4.5 快速退火流程與製程參數 31
3-4.6 熱差分析儀(Differential Scanning Calorimeter,DSC) 32
3-5 薄膜分析與量測技術 33
3-5.1 電性分析 33
3-5.2 表面輪廓量測儀 34
3-5.3 X光繞射(X-Ray Diffraction,XRD) 35
3-5.4 導電性原子力顯微儀(C-AFM) 36
3-5.5 掃描表面電位顯微儀 (SSPM) 38
3-5.6 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM) 39
3-6 薄膜機械性質分析儀器 40
3-6.1 奈米壓痕機(nano indenter) 40
3-6.2 磨耗實驗機(CSEM PIN-on-Disk Tribometer) 41
3-7 抗菌實驗儀器簡介 42
3-7.1 酸鹼度測定儀 43
3-7.2 桌上型離心機 43
3-7.3 生化分析光譜儀 44
3-8 菌株活化與緩衝液(PBS)配製 44
3-9 試菌液製備流程 45
3-10 抗菌試驗流程 46
第四章 結果與討論 47
4-1 晶體結構分析 47
4-1.1 TaN薄膜電性分析 47
4-1.2 TaN薄膜X光繞射分析 49
4-1.3 TaN-Cu奈米薄膜X光繞射分析 50
4-1.4 TaN與TaN-Cu薄膜中TaN晶粒尺寸 54
4-2 原子力顯微鏡之分析 55
4-2.1 導電性原子力顯微儀 (C-AFM)之分析 56
4-2.2 掃描表面電位顯微儀 (SSPM)之分析 59
4-3 影像分析: Scanning Probe Image Processor (SPIP) 63
4-4 場發射電子顯微鏡之分析 65
4-5 奈米複合薄膜機械性質分析 71
4-5.1 奈米壓痕之分析 71
4-5.2 磨耗之分析 73
4-6 抗菌效果之分析 85

第五章 結論 93

參考文獻 94

附錄 98
附錄(A) SSPM證明示意圖 98
附錄(B)磨耗痕跡中銅訊號證明圖(荷重1N) 99
附錄(C)為SEM之析出物證明圖 99
附錄(D)HRB測試荷重10Kg時,SEM影像 100
附錄(E)不同銅含量試片的抗塑性變形百分比 101
附錄(F)TaN薄膜未退火Cross-section 影像 101


























表目錄
表2-1常見細菌種類大小比較 5
表2-2金屬離子種類及抗菌效果 7
表2-3Cu奈米粒徑與比表面積、表面原子數比例、表面能關係表 7
表2-4抗菌材料的分類及其特點 8
表2-5為抗菌材料應用領域 9
表3-1TaN-Cu薄膜濺鍍參數表 29
表3-2實驗中薄膜沉積情況和快速退火時間 32
表3-3緩衝液(PBS)藥品單 45
表4-1為不同退火時間TaN、TaN-Cu薄膜中TaN晶粒大小之關係 54
表4-2為不同退火時間所檢測出析出之平均銅粒子之尺寸 64
表4-3不同銅含量試片經過不同退火時間之EDS分析 65
























圖目錄
圖2-1大腸桿菌之SEM照片 5
圖2-2大腸桿菌於抗菌之前後SEM照片 6
圖2-3奈米複合多層薄膜硬化機構圖 11
圖2-4奈米複合薄膜硬化機構圖 14
圖2-5黏著磨耗 15
圖2-6薄膜微結構與基板溫度的關係(Movchan & Demchishin) 18
圖2-7Thornton修飾薄膜微結構 19
圖2-8直流濺鍍系統 21
圖2-9電漿中電位分佈 22
圖2-10射頻濺鍍系統 23
圖2-11反應性濺鍍示意圖 24
圖3-1實驗大綱流程圖 25
圖3-2三槍濺鍍機設備外觀 29
圖3-3快速退火爐系統外觀 31
圖3-4DSC量測情況 31
圖3-5四電探針原理示意圖 34
圖3-6輪廓儀工作原理示意圖 35
圖3-7布拉格定理 36
圖3-8AFM接觸式、非接觸式、輕敲式作用力與距離的關係 37
圖3-9接觸式顯微儀系統架構圖 37
圖3-10C-AFM架構圖 38
圖3-11兩金屬接近時能階變化 38
圖3-12SSPM系統架構圖 39
圖3-13奈米壓痕機在加載與卸載曲線及其壓痕剖面變化 41
圖3-14磨耗實驗機 42
圖3-15酸鹼度測定儀 43
圖3-16桌上型離心機 43
圖3-17生化分析光譜儀 44
圖4-1不同氮氣流量下電阻值及濺鍍速率變化 47
圖4-2TaN結構在不同氮氣流量下之電阻值變化 48
圖4-3不同氮氣流量之TaN X光繞射圖譜 49
圖4-4不同的銅含量試片的X光繞射變化之情形 50
圖4-5銅含量1.4at.%不同退火時間X光繞射變化之關係 51
圖4-6銅含量2.2at.%不同退火時間X光繞射變化之關係 52
圖4-7銅含量4.8at.%不同退火時間X光繞射變化之關係 53
圖4-8銅含量為11at.%時,經不同退火時間與X光繞射變化之關係 53
圖4-9未經退火處理的表面形貌(不同的銅含量) 56
圖4-10銅含量為1.4 at.%,不同退火時間的表面導電性影像 57
圖4-11銅含量為2.2at.%,不同退火時間的表面導電性影像 57
圖4-12銅含量為4.8at.%,不同退火時間的表面導電性影像: 58
圖4-13銅含量為11at. %,不同退火時間的表面導電性影像 59
圖4-14銅含量為1.4 at %,不同退火時間的表面電位影像 60
圖4-15銅含量為2.2at.%,不同退火時間的表面電位影像 61
圖4-16銅含量為4.8 at.%,不同退火時間的表面電位影像 62
圖4-17銅含量為11%,不同退火時間的表面電位影像 63
圖4-18利用SPIP對銅含量11at.%退火8分鐘的試片作影像分析 64
圖4-19銅含量為1.4 at.%,不同退火時間薄膜表面SEM影像圖 66
圖4-20銅含量為2.2 at.%,不同退火時間薄膜表面SEM影像圖 67
圖4-21銅含量為4.8 at %,不同退火時間薄膜表面SEM影像圖 69
圖4-22銅含量為11 at.%,不同退火時間薄膜表面SEM影像圖 70
圖4-23不同銅含量的試片退火前硬度值之變化 71
圖4-24不同銅含量試片經過不同退火時間後之硬度值關係 72
圖4-25不同銅含量,退火處理後的摩擦係數變化 (荷重為1N) 73
圖4-26不同銅含量未退火處理的影響(荷重為1N) 74
圖4-27不同銅含量退火4min處理後的影響(荷重為1N) 74
圖4-28不同銅含量與退火處理後 (荷重為1N) 磨耗深度變化 75
圖4-29銅含量4.8 at %不同的退火時間磨耗損失率之影響(荷重為1N) 76
圖4-30施加荷重為1N,經退火4min後之不同銅含量的磨耗痕跡 77
圖4-31不同的銅含量,退火處理後的摩擦係數變化 (荷重為5N) 78
圖4-32不同銅含量未退火處理的影響(荷重為5N) 79
圖4-33不同銅含量退火4min處理後的影響(荷重為5N) 79
圖4-34不同銅含量與退火處理後 (荷重為5N) 磨耗深度變化。 80
圖4-35銅含量2.2 at%不同退火時間對磨耗率之影響(荷重為5N) 81
圖4-36銅含量4.8 at%不同退火時間對磨耗率之影響(荷重為5N) 82
圖4-37施加荷重為5N,經退火4min後之不同銅含量的磨耗痕跡 83
圖4-38不同荷重與銅含量和退火處理之關係 84
圖4-39銅含量2.2at.%與對照組之菌落數 85
圖4-40銅含量為2.2 at %,經過不同退火時間對抗菌率之效果 86
圖4-41銅含量為2.2 at %時,在不同抗菌時段之殺菌效果 87
圖4-42不同含銅量退火2min於抗菌率的變化 88
圖4-43抗菌時間對不同銅含量與對照組之菌落數 89
圖4-44不同含銅量退火4min於抗菌率的變化 90
圖4-45抗菌時間對不同銅含量與對照組之菌落數 91
圖4-46不同含銅量退火8min於抗菌率的變化 92
參考文獻
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