臺灣博碩士論文加值系統

在本論文中我們將研製一種新穎的懸空單壁奈米碳管的製作方式，分為三個步驟，先利用電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhance Chemical Vapor Depositon, PECVD)的方式成長奈米碳纖維(Carbon Nano-Fiber, CNF)，再來利用氬氣電漿源對奈米碳纖維作單向的物理轟擊，使其頂端催化劑直徑縮小，可在頂端成長單壁奈米碳管(Single-Walled Carbon Nanotube, SWNT)，最後將試片利用高溫化學氣相沉積(Thermal Chemical Vapor Depositon, Thermal CVD)的方式成長懸空單壁奈米碳管。而為了使下個階段的電學特性研究能夠順利進行，找尋一個合適的電極材料以及元件設計即為一個重要課題，我們利用了鈦、鉬金屬以及多晶矽作為製程的下電極材料，經過了三道製程的驗證後，發現多晶矽乃是本製程下的良好電極材料。
我們利用靜電力檢驗懸空結構的接觸力，施加的靜電力為非接觸力，不同於一般使用AFM探針接觸式的碳管機械特性研究，利用不同電場下碳管的形變量分析靜電力對懸空碳管的施力，我們估計出懸空碳管與碳纖維之間的接觸力至少在10 nN等級以上，証實了在SWNT-CNF的介面上並非單純的以凡德瓦爾力相接觸，而針對接觸機制我們合理的推測可能為碳碳間的化學鍵結。
我們設計出三極量測元件，並成功地在該試片上成長出跨越兩電極的結構，初步電性量測的結果顯示，試片經過奈米碳纖維製程後即會產生漏電流，表示單就200 nm的氧化層無法抵擋製程的破壞，必須改善絕緣層結構，文末將提出改善的方法及未來展望。

摘 要 i
誌 謝 iii
目 錄 vii
圖目錄 xi
表目錄 xvi
第一章 緒論 1
1-1 奈米碳管 1
1-2奈米碳管的合成 5
1-2-1電弧放電法與雷射剝蝕法 5
1-2-2催化劑式化學氣相沈積法 (Catalytic Chemical Vapor Deposition, CCVD) 8
1-3 CCVD製程中奈米碳管可能的成長機制 10
1-4 奈米碳管的性質與應用 12
1-4-1奈米碳管的性質 12
1-4-2 奈米碳管的應用 13
第二章 文獻回顧 17
2-1 懸空單壁奈米碳管的製作方法 18
2-1-1 蝕刻溝槽的方式 18
2-1-2 製作奈微米等級之矽柱 19
2-1-3 在奈米碳纖維頂端直接成長 20
2-1-4 懸空單壁奈米碳管成長過程 22
2-2 懸空單壁奈米碳管的電學特性 25
2-2-1 元件特性 25
2-2-2 遲滯效應 26
2-2-3 NDC效應(Negative differential conductance effect, NDC) 28
2-3 懸空單壁奈米碳管的拉曼特徵 29
2-4 碳管機械特性 31
2-5 氧化矽基板與碳管間的接觸力 33
2-6 本章總結 34
第三章 研究方法與實驗設備 35
3-1 研究方法 35
3-1-1 試片準備 35
3-1-2 基本成長步驟 36
3-1-3 基本檢測：電子顯微鏡與拉曼量測系統 39
3-1-4 SWNT-CNF接觸力測試(靜電力檢測) 40
3-1-5 三極元件結構設計 41
3-1-6 電性量測 42
3-2 實驗設備介紹 43
3-2-2 高密度電漿源之ICP-CVD(Induce Couple Plasma, ICP)系統設備 43
3-2-2 溫度校正 47
3-2-3 高溫化學氣相沈積系統(Thermal CVD) 48
3-2-4 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM) 51
3-2-5 微拉曼光譜儀(Micro-Raman Spectroscopy) 52
3-2-6 多探針奈米電性量測系統 (Muti-Probe Nano-Electronics Measurement System, MPNEM System) 53
第四章 結果與討論 58
4-1 製程參數 58
4-2 電極材料選擇 60
4-2-1 ICP-CVD 製程結果 61
4-2-2 Thermal CVD 製程結果 63
4-3 多晶矽的跨成長結果與拉曼分析 65
4-4 摻雜試片上的再成長結果 73
4-4-1 多晶矽(in-situ doping)試片測試 73
4-5 靜電力檢測SWNT-CNF接觸面 78
4-5-1 實驗設計與結果 79
4-5-2 以伸長量分析接觸力大小 85
4-5-3 以位移量分析接觸力大小 89
4-5-4 SWNT-CNF可能的接觸機制探討 94
4-6 三極元件製作與成長結果 96
4-6-1 三極元件製作 96
4-6-2 元件上的跨成長結果 98
4-7 元件電性檢測 99
4-8 實驗結果總結 103
第五章 總結與未來展望 105
5-1 總結 105
5-2 未來展望 106
參考文獻 108
附錄A 靜電力實驗照片紀錄 112

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