臺灣博碩士論文加值系統

本研究是利用化學氣相沉積法(CVD)在矽(Si)基板上成長不同結構之硫化銅(CuS)微奈米化合物。實驗材料使用金屬銅(Cu)顆粒、硫(S)粉以及硫化鋅(ZnS)顆粒為原料。本研究使用硫化鋅為材料，為針對銅的熔點(1084oC)和硫的沸點(444oC)溫度差距過大，探討以CVD生長硫化銅化合物時為避免硫分子釋放過快，使用來延緩硫分子的釋放速度。研究重點在於上述實驗材料的添加量與揮發量對所生成硫化銅化合物微結構和形貌變化作一系統性的探討，其中包括銅和硫、銅和硫化鋅的比例與成長溫度之效應。另外，本研究利用改變製程參數，包括試片在氧化鋁管中放置方式、位置和成長溫度的變化，以及銅和硫、銅和硫化鋅的反應距離來探討生長硫化銅微奈米結構化合物所需的條件和影響。實驗結果的分析，主要是以X光繞射(XRD)鑑定試片之相組成、掃描式電子顯微鏡(SEM)來觀察基板上的表面形態，再使用穿透式電子顯微鏡(TEM)的X射線能量散佈分析儀(EDX)分析所觀察到的微奈米結構的組成成分。

This research uses the thermal Chemical Vapor Deposition (CVD) to grow the different structures of the copper-sulfide (CuS) at micro-and nanometer scales on the silicon (Si) substrates. We used metal copper (Cu), sulfur (S) and zinc-sulfide (ZnS), as the experimental raw source material. When using CVD, the temperature difference between the melting point of the copper (1084oC) and the boiling point (444oC) of the sulfur is too large, and hence the sulfur molecules release too quickly. This work used the ZnS to slow down the release rate of sulfur molecules. This research focused on the addition quantity of the above experimental materials and the generated volatile vapor resulting the changes of the microstructure and morphology in the copper-sulfide to make a systematic study, including copper and sulfur, copper and zinc-sulfide ratio and the growth temperature effect. In addition, this work changed the process parameters to explore the necessary conditions for and the corresponding effect on the growth of micro-and nanometer structures of copper-sulfide, including the way of the silicon substrates placed in the alumina tube, the location and the growth temperature, the distance between copper and sulfur, and the distance between copper and zinc-sulfide. The analysis of the experimental results is mainly based on the X-ray to characterize phase composition of the deposition film specimens, the scanning electron microscopy (SEM) to observe the substrate surface morphology, and transmission electron microscopy (TEM) with the energy distribution analyzer (EDX) to analye the composition of the observed structure at micro- and/or nano-meter scales.

目錄

第一章 緒論 - 01

第二章 基礎理論與文獻回顧 - 02
2.1 奈米材料 - 02
2.2 奈米在光電的應用 - 05
2.3 CVD成長原理 - 07
2.3.1化學氣相沉積法 - 07
2.3.2化學氣相沉積速率 - 09
2.4 奈米線成長機制 - 12
2.4.1 VLS - 12
2.4.2 VS - 15
2.5 硫化銅結構 - 17

第三章 實驗方法 - 20
3.1 化學氣相沉積法製作 ”微奈米CuS” - 20
3.1.1 製作流程 - 20
3.1.2 基板清洗 - 21
3.1.3 實驗材料與藥品 - 24
3.1.4 實驗步驟 - 25
3.1.5 實驗參數 - 28
3.2 實驗分析 - 28
3.2.1 掃描式電子顯微鏡(SEM) - 28
3.2.2 X射線能量散佈分析儀(EDS or EDX) - 29
3.2.3 X光繞射儀(XRD) - 32

第四章 結果與討論 - 33
4.1 成功生長出硫化銅的實驗參數 - 35
4.1.1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu 0.274 S 0.310 - 35
4.1.2 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu 0.273+0.265 S 0.479 - 39
4.1.3 溫度1050，氬氣50 sccm，材料Cu 0.289+0.278+0.294 S 0.250 - 43
4.1.4 溫度950，氬氣100 sccm，材料Cu 0.274 ZnS 0.396 - 46
4.1.5 溫度1050，氬氣25 sccm，材料Cu 0.274+0.270 ZnS 0.520 - 50
4.1.6 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu 0.273+0.275 S 0.105 - 54
4.1.7 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu 0.282 ZnS 0.396 - 61
4.2 材料濃度對實驗結果的影響 - 68
4.3 持溫時間對實驗結果的影響 - 72
4.4 氬氣流量對實驗結果的影響 - 76
4.5 使用硫粉和硫化鋅顆粒對實驗結果的影響 - 80

第五章 結論與未來展望 - 83
5.1 結論 - 83
5.2 未來展望 - 84


圖目錄

圖2.1-1 量子井、量子線及量子點與電子的物質波波長關係示意圖。 - 04
圖2.2-1 光子晶體結構示意圖。 - 06
圖2.2-2 CdSe 二微光子晶體。 - 06
圖2.3.1-1 CVD 裝置反應機制示意圖。 - 08
圖2.3.2-1 沉積速率區間示意圖。 - 11
圖2.3.2-2 為沉積速率與溫度關係圖。 - 11
圖2.4.1-1 VLS 反應機制之步驟分解圖。 - 14
圖2.4.1-2 Fe 與Si 的相圖。 - 14
圖2.4.2-1 氧化鎂奈米線之TEM 影像。 - 16
圖2.4.2-2 氮化鎵奈米線之TEM 影像。 - 16
圖2.5-1 硫化銅晶格結構。 - 17
圖2.5-2 硫化銅晶格結構。 - 18
圖2.5-3 硫化銅14面體示意圖。 - 19
圖2.5-4 硫化銅14面體結晶。 - 19
圖3.1.1-1 氮化鎵化合物成長實驗流程圖。 - 20
圖3.1.2-1 基板清洗步驟流程圖。 - 21
圖3.1.4-1 坩鍋示意圖。 - 26
圖3.1.4-2 試片直接放置於爐管上示意圖。 - 26
圖3.1.4-3 本研究CVD 裝置示意圖。 - 27
圖3.1.4-4 實驗反應程序示意圖。 - 27
圖3.2.2-1 能量釋放示意圖。 - 30
圖4.1.1-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 實驗示意圖。 - 35
圖4.1.1-2 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 36
圖4.1.1-3 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 37
圖4.1.1-4 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 37
圖4.1.1-5 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 38
圖4.1.1-6 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之XRD 分析圖。 - 38
圖4.1.2-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 實驗示意圖。 - 39
圖4.1.2-2 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 40
圖4.1.2-3 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 41
圖4.1.2-4 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 41
圖4.1.2-5 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之XRD 分析圖。 - 42
圖4.1.3-1 溫度1050，氬氣50 sccm，材料Cu+S 實驗示意圖。 - 43
圖4.1.3-2 溫度1050，氬氣50 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 44
圖4.1.3-3 溫度1050，氬氣50 sccm，材料Cu+S SEM 圖。 - 45
圖4.1.3-4 溫度1050，氬氣50 sccm，材料Cu+S 之XRD 分析圖。 - 45
圖4.1.4-1 溫度950，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 實驗示意圖。 - 46
圖4.1.4-2 溫度950，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS SEM 圖。 - 47
圖4.1.4-3 溫度950，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS SEM 圖。 - 48
圖4.1.4-4 溫度950，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS SEM 圖。 48
圖4.1.4-5 溫度950，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之XRD 分析圖。 - 49
圖4.1.5-1 溫度1050，氬氣25 sccm，材料Cu+ZnS 實驗示意圖。 - 50
圖4.1.5-2 溫度1050，氬氣25 sccm，材料Cu+ZnS SEM 圖。 - 51
圖4.1.5-3 溫度1050，氬氣25 sccm，材料Cu+ZnS SEM 圖。 - 52
圖4.1.5-4 溫度1050，氬氣25 sccm，材料Cu+ZnS SEM 圖。 - 52
圖4.1.5-5 溫度1050，氬氣25 sccm，材料Cu+ZnS 之XRD 分析圖。 - 53
圖4.1.6-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 實驗示意圖。 - 54
圖4.1.6-2 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之SEM 圖。 - 55
圖4.1.6-3 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之SEM 圖。 - 56
圖4.1.6-4 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之SEM 圖。 - 56
圖4.1.6-5 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之XRD 分析圖。 - 57
圖4.1.6-6 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S之TEM圖。 - 57
圖4.1.6-7 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S之TEM圖。 - 57
圖4.1.6-8 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S之TEM圖。 - 58
圖4.1.6-9 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S之TEM圖。 - 58
圖4.1.6-10 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之TEM 圖。 - 58
圖4.1.6-11 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之TEM 圖。 - 58
圖4.1.6-12 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之TEM 圖。 - 59
圖4.1.6-13 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之TEM 圖。 - 59
圖4.1.6-14 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之TEM 圖。 - 59
圖4.1.6-15 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之TEM 圖。 - 59
圖4.1.6-16 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之EDX 圖。 - 60
圖4.1.7-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 實驗示意圖。 - 61
圖4.1.7-2 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之SEM 圖。 - 62
圖4.1.7-3 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之SEM 圖。 - 63
圖4.1.7-4 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之SEM 圖。 - 63
圖4.1.7-5 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之XRD 分析圖。 - 64
圖4.1.7-6 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之TEM 圖。 - 64
圖4.1.7-7 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之TEM 圖。 - 64
圖4.1.7-8 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之TEM 圖。 - 65
圖4.1.7-9 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之TEM 圖。 - 65
圖4.1.7-10 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之TEM 圖。 - 65
圖4.1.7-11 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之TEM 圖。 - 65
圖4.1.7-12 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之EDX 圖。 - 66
圖4.2-1 參照組SEM圖。 - 69
圖4.2-2 多銅組SEM 圖。 - 70
圖4.2-3 多硫組SEM 圖。 - 71
圖4.2-1 參照組SEM 圖。 - 73
圖4.3-1 無持溫組SEM 圖。 - 74
圖4.3-2 持溫2 小時組SEM 圖。 - 75
圖4.2-1 參照組SEM 圖。 - 77
圖4.4-1 Ar 50 sccm 組SEM 圖。 - 78
圖4.4-2 Ar 25 sccm 組SEM 圖。 - 79
圖4.2-1 參照組SEM 圖。 - 81
圖4.5-1 硫化鋅組SEM 圖。 - 82


表目錄

表4.1.1-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之參數表。 - 36
表4.1.2-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之參數表。 - 40
表4.1.3-1 溫度1050，氬氣50 sccm，材料Cu+S 之參數表。 - 44
表4.1.4-1 溫度950，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之參數。 - 47
表4.1.5 溫度1050，氬氣25 sccm，材料Cu+ZnS 之參數。 - 51
表4.1.6-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之參數。 - 55
表4.1.6-2 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+S 之EDX 表。 - 60
表4.1.7-1 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之參數表。 - 62
表4.1.7-2 溫度1050，氬氣100 sccm，材料Cu+ZnS 之EDX 表。 - 67
表4.2-1 參照組之參數。 - 69
表4.2-2 多銅組之參數。 - 70
表4.2-2 多硫組之參數。 - 71
表4.2-1 參照組之參數。 - 73
表4.3-1 無持溫組之參數。 - 74
表4.3-2 持溫2 小時組之參數。 - 75
表4.2-1 參照組之參數。 - 77
表4.4-1 Ar 50 sccm 組之參數。 - 78
表4.4-2 Ar 25 sccm 組之參數。 - 79
表4.2-1 參照組之參數。 - 81
表4.5-1 硫化鋅組之參數。 - 82

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