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研究生:蔡松霖
研究生(外文):Sung-Lin Tsai
論文名稱:以AAO模板法製備一維奈米電容器及分析其相關性質
論文名稱(外文):Synthesis and Characterization of template-grown 1D array nanocapacitors using anodic aluminum oxide membranes
指導教授:王宏文王宏文引用關係
指導教授(外文):Hong-Wen Wang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:奈米科技碩士學位學程
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:148
中文關鍵詞:電容電泳沉積電容器陽極氧化鋁電化學沉積
外文關鍵詞:AAOEPDcapacitorsol-gelMIMECD
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利用陽極氧化鋁濾膜為模板,分別以溶膠-凝膠法(sol-gel)、電化學沉積法(ECD)、電泳沉積法(EPD)等方法,製備出具備MIM結構的一維奈米電容器,並且分析及相關介電特性。
控制奈米柵狀金電極的長度即可控制奈米金電極的表面積大小,進而分析二者相關性,並且以孔洞直徑為200nm的AAO膜為模板製備電容器量測其電容值最高可達10nF,相較於平板式電極之電容器其電容值約50pF有著相當於約200倍的提升。嘗試以不同規格的AAO模板製備一維奈米電容器,並且分析其變溫、變頻的相關介電特性。
The fabrication and electrical properties of nanocapacitor arrays made by utilizing cylindrical Ba0.7Sr0.3TiO3 nanotubes grown inside the anodic aluminum oxide membranes were studied. Perovskite barium strotium titanate (BST) nanotubes were synthesized using sol-gel process, and the electrode Au nanorods were electrochemically deposited into the BST nanotubes. Nanocapacitor arrays were produced within the aluminum oxide template by depositing Au thin film on top of the template, forming metal/insulator/metal (MIM) structure.
Characteristics of template-grown 1D array nanocapacitors of Au nanorods with different lengths were analyzed and compared. The relationship between properties and conditions of synthesis were then explored. The capacitances of nanocapacitor arrays as high as 10nF was obtained. Such high capacitance arrays can be applied to nanoelectronic devices.
目錄
中文摘要 II
Abstract III
謝 誌 IV
目 錄 VI
圖目錄 XI
表目錄 XVIII
第一章 緒論 1
1-1 簡介 1
1-2 奈米材料 3
1-2-1 奈米粒子 3
1-2-2 奈米纖維【奈米管、奈米線、奈米柱】 3
1-2-3 奈米薄膜 5
1-2-4 奈米塊材 5
1-3 台灣電容器發展 7
1-3-1 尺寸變小,電容量增加 8
1-3-2 奈米化積層陶瓷電容器 9
1-4 研究動機 10
第二章 文獻回顧與基礎理論 12
2-1 金的簡介 12
2-2 鈦酸鍶鋇的簡介 13
2-3 介電特性 18
2-3-1 極化現象(Polarization) 19
2-3-2 介電損失 22
2-4 成長一維奈米結構材料之方法(奈米線、奈米管、奈米柱) 23
2-4-1 氧化鋁模板 25
2-4-2 高分子模板 26
2-4-3 金屬模板 27
2-5 奈米粉末的製備方法 30
2-5-1 溶膠凝膠法(sol-gel method) 30
2-5-2 水熱法(hydrothermal method) 34
2-5-3 微波法(microwave method) 36
2-5-3 微波水熱法(microwave hydrthermal method) 42
2-6 電化學反應系統 43
2-6-1 電化學沈積法(Electrochemical deposition) 43
2-7薄膜製作技術 45
2-7-1 電泳沈積之原理 47
2-7-2 粒子電荷來源 48
2-7-3 膠體粒子之分散 49
2-7-4 懸浮液種類 50
2-7-5 影響電泳速度的因素 51
2-7-6 電泳沈積法之優點及應用 52
第三章 實驗部份 54
3-1 實驗藥品 54
3-2 實驗儀器 56
3-2-1 廣角X-Ray 繞射儀(Wild-angle XRD) 56
3-2-2 掃描式電子顯微鏡( Scanning Electron Microscopy,SEM ) 56
3-2-3 穿透式電子顯微鏡( Transmission Electron Microscopy ) 57
3-2-4 超薄切片機( Microtome ) 57
3-2-5 聚焦式微波合成反應系統 57
3-2-6 介電量測儀( Agilent Precision LCR Meters,LCR ) 58
3-2-7 真空鍍金儀器 58
3-2-8 Ph Meter 58
3-2-9 可程式恆溫恆溼試驗機 58
3-2-10 其他器材 59
3-3 實驗步驟 60
3-3-1 溶膠-凝膠法成長鈦酸鍶鋇(BST)奈米管 63
3-3-2 電化學沈積法成長奈米金條陣列電極 65
3-3-2-1 氯金酸前驅液配置 66
3-3-2-2 製備奈米金條陣列電極 67
3-3-3 電泳沈積法沈積鈦酸鍶鋇粒子成膜 69
3-3-4 製備金/鈦酸鍶鋇核-殼結構奈米陣列電容器 71
第四章 結果與討論 72
4-1 利用陽極氧化鋁模板製備核-殼結構陣列電容器 72
4-1-1 sol-gel法製備鈦酸鍶鋇奈米管 73
4-1-2 電化學沉積法製備奈米金條陣列電極 77
4-1-3 電泳沉積法製備鈦酸鍶鋇薄膜 85
4-1-4 結果與討論 90
4-2 金/鈦酸鍶鋇/金結構陣列電容器電極探討與其電性分析 91
4-2-1 電化學沉積法/電極長度/電性分析 91
4-2-2 MIM結構電容器電極/頻率/溫度探討 102
4-2-3 結果與討論 105
4-3 一維核-殼結構奈米陣列電容器電極視徑比探討與其電性分析 106
4-3-1 陽極氧化鋁模板孔徑/電極長度/電性分析 106
4-3-2 不同視徑比的電容器電極/頻率/溫度探討 117
4-3-3 結果與討論 119
第五章 結論 120
第六章 未來展望 121
參考文獻 123

圖目錄
圖 1 1 物質尺寸對應圖 1
圖 1 2 奈米粒子幾何結構分類 2
圖 1 - 3 積層陶瓷電容器的剖面結構示意圖 8
圖 1 - 4 奈米化積層陶瓷電容器 10


圖 2 - 1 BaO-TiO2系統的二元相圖[6] 14
圖 2 - 2 溫度高於Tc點之理想鈣鈦礦結構[7] 15
圖 2 - 3 溫度低於Tc點時鈦離子之偏移[8] 15
圖 2 - 4 鈦酸鋇單位晶胞結構隨溫度之變化[9] 16
圖 2 - 5 典型的鐵電材料遲滯曲線 18
圖 2 - 6 極化機制示意圖 21
圖 2 - 7 極化機制與頻率之間的關係圖[11] 21
圖 2 - 8 各種成長一維結構方式之示意圖[68] 23
圖 2 - 9 奈米孔洞氧化鋁模板 26
圖 2 - 10 製備金屬奈米孔洞陣列模板的簡單過程(a)具有貫穿孔洞的氧化鋁模板; (b)真空蒸發鍍金屬: (c)甲基丙烯酸甲酯植入與聚合; (d)聚甲基丙烯酸甲酯負型; (e)無電鍍金屬沈積; (f)金屬奈米孔洞體系[69] 28
圖 2 - 11 (a) CNT/AuNW 在Cu基板上的SEM圖;(b) CNT 和 AuNW之間界面的高解析SEM圖;(c) CNT/AuNW 界面的TEM圖,奈米碳管直徑接近170 nm;(d)奈米碳管的管壁高解析TEM圖,管壁厚度接近15 nm。 29
圖 2 - 12 溶膠-凝膠法形成聚合化凝膠及膠化凝膠的兩種路徑 33
圖 2 - 13 sol-gel反應示意圖[23] 34
圖 2 - 14 電泳沈積示意圖 48
圖 2 - 15 粒子分散的機制(a)靜電斥力(b)立體阻隔效應(c)靜電阻隔效應[63] 50

圖 3 - 1 掃描式電子顯微鏡 56
圖 3 - 2 可程式恆溫恆溼試驗機 59
圖 3 - 3 金/鈦酸鍶鋇核-殼結構奈米電容器 60
圖 3 - 4 “MIM”奈米電容-製作流程 61
圖 3 - 5 製備奈米金條陣列電極之實驗裝置圖 62
圖 3 - 6 電泳沈積示意圖 63
圖 3 - 7 鈦酸鍶鋇sol的製備流程 64
圖 3 - 8 利用AAO濾膜以sol-gel法製備鈦酸鍶鋇奈米管的流程 65
圖 3 - 9 金前驅液(gold(III) precursor)的配置之流程圖 66
圖 3 - 10 金前驅液(gold(III) precursor)的配置之流程圖 67
圖 3 - 11奈米金陣列電極製備示意圖 68
圖 3 - 12 以微波水熱法製備鈦酸鍶鋇粉末流程圖 70
圖 3 - 13 鈦酸鍶鋇粉末前驅液配製流程圖 70
圖 3 - 14 core-shell奈米電容器架構 71

圖 4 - 1 孔徑200nm AAO模板鳥瞰SEM圖 72
圖 4 - 2 孔徑200nm AAO模板側面SEM圖 73
圖 4 - 3 以sol-gel法製備出的BST管之XRD分析圖 74
圖 4 - 4 BST材料之XRD標準圖譜 74
圖 4 - 5 BST管之EDS檢測圖 75
圖 4 - 6 移除AAO模板後的BST管SEM圖 76
圖 4 - 7 移除AAO模板後的BST管近拍SEM圖 76
圖 4 - 8 未移除陽極氧化鋁模板而直接以SEM觀察AAO模板側面SEM圖 77
圖 4 - 9 ECD參數為0.1wt%、電壓1V、還原6小時之側面SEM圖 78
圖 4 - 10 以6M氫氧化鈉將陽極氧化鋁材料部份移除後之奈米金電極SEM圖 79
圖 4 - 11 以6M氫氧化鈉將陽極氧化鋁材料部份移除後之奈米金電極高倍率SEM圖 79
圖 4 - 12 鍍金參數40mA/80s、0.1wt%、1V、6hr的結果側面SEM圖 81
圖 4 - 13鍍金參數40mA/80s、0.1wt%、1V、6hr EDS檢測的結果圖 81
圖 4 - 14 鍍金參數40mA/80s、0.1wt%、1V、6hr之XRD分析圖 82
圖 4 - 15 Au材料之XRD標準圖譜 82
圖 4 - 16 移除AAO膜後的鳥瞰SEM圖 83
圖 4 - 17 移除AAO膜後的鳥瞰高倍率SEM圖 84
圖 4 - 18 移除AAO膜後的側面SEM圖 84
圖 4 - 19 以微波水熱法合成鈦酸鍶鋇粉末的SEM圖 85
圖 4 - 20 以微波水熱法合成鈦酸鍶鋇粉末的TEM圖 86
圖 4 - 21 以微波水熱法合成鈦酸鍶鋇粉末的XRD檢測圖 87
圖 4 - 22 以微波水熱法合成鈦酸鍶鋇粉末的EDS成分分析圖 87
圖 4 - 23 EPD參數為10V、5min之側面SEM圖 88
圖 4 - 24 EPD參數為10V、5min之側面高倍率SEM圖 88
圖 4 - 25 EPD參數為10V、5min之側面高倍率顯微結構SEM圖 89
圖 4 - 26 有無EPD BST particles在AAO模板上的差異度SEM圖 90
圖 4 - 27 40mA/80s、0.1wt%、1V、24hr 側面SEM圖 92
圖 4 - 28 40mA/80s、0.1wt%、1V、24hr 側面高倍率SEM圖 93
圖 4 - 29 40mA/80s、0.1wt%、1V、24hr側面SEM圖,長度約15um 94
圖 4 - 30 1.0wt%、1V、30hr未去除AAO模板之側面SEM圖,長度約為50um,電容值約為10uF 95
圖 4 - 31 1.0wt%、1V、30hr未去除AAO模板之高倍率側面SEM圖 96
圖 4 - 32 1.0wt%、1V、30hr未去除AAO模板之高倍率鳥瞰SEM圖 96
圖 4 - 33 1.0wt%、1V、30hr去除AAO模板之高倍率側面SEM圖 97
圖 4 - 34 1.0wt%、1V、6hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為11um,電容值約為257pF 98
圖 4 - 35 1.0wt%、1V、12hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為16um,電容值約為600pF 98
圖 4 - 36 1.0wt%、1V、18hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為23.6um,電容值約為1uF 99
圖 4 - 371.0wt%、1V、24hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為32.7um,電容值約為5uF 99
圖 4 - 38ECD還原時間對奈米金電極長度作圖,AAO孔徑200nm 100
圖 4 - 39 ECD還原時間與奈米金電極長度以及定頻下(1K Hz)電容值相對關係比較圖 101
圖 4 - 40 ECD時間18hr、定溫下、電容對濕度關係圖 102
圖 4 - 41 室溫下,不同的ECD還原時間對頻率的關係圖 103
圖 4 - 42 定頻(1K)下,不同的ECD還原時間對溫度的關係圖 104
圖 4 - 43 孔徑100nm AAO模板鳥瞰SEM圖 107
圖 4 - 44 孔徑100nm AAO模板鳥瞰高倍率SEM圖 108
圖 4 - 45 孔徑200nm AAO模板鳥瞰高倍率SEM圖 108
圖 4 - 46 1.0wt%、1V、18hr未去除AAO模板之側面SEM圖 109
圖 4 - 47 1.0wt%、1V、18hr未去除AAO模板之高倍率側面SEM圖 110
圖 4 - 48 1.0wt%、1V、6hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為8.9um,電容值約為55 pF 111
圖 4 - 491.0wt%、1V、12hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為15um,電容值約為117 pF 111
圖 4 - 50 1.0wt%、1V、18hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為26.3um,電容值約為355 pF 112
圖 4 - 51 1.0wt%、1V、24hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為36um,電容值約為1.32 uF 112
圖 4 - 52 1.0wt%、1V、30hr未去除AAO模板之側面SEM圖,電極長度約為50.8um,電容值約為5.25 uF 113
圖 4 - 53 ECD還原時間對奈米金電極長度作圖,AAO孔徑100nm 113
圖 4 - 54 ECD還原時間與奈米金電極長度以及定頻下(1K Hz)電容值相對關係比較圖 114
圖 4 - 55 定溫(25℃)、溫定頻(1K Hz)下,不同孔徑大小對不同ECD還原時間之電容值對應關係圖 115
圖 4 - 56 室溫下,不同的ECD還原時間對頻率的關係圖 117
圖 4 - 57定頻(1K)下,不同的ECD還原時間對溫度的關係圖 118

圖 6 - 1 以CVD的方式在AAO模板中成長出MIM的電容器結構 121

表目錄
表 1 1奈米粒子粒徑、原子總數與表面原子數的關係 7

表 2 - 1 金的基本性質[10] 13
表 2 - 2 不同試劑的介電常數(dielectric constant) 38
表 2 - 3 不同試劑的散逸係數 (Tan ) 39
表 2 - 4 不同試劑的介電損失因數(dielectric Loss) 41
表 2 - 5 薄膜製作技術之比較[63] 46
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