臺灣博碩士論文加值系統

類鑽碳薄膜是被沈積在ITO基板，利用電沉積法在低電位下進行沉積薄膜，電解液為混合醋酸和去離子水的醋酸水溶液。此外我們改變不同的沉積參數包括電位、沉積溫度、溶液濃度，探討對類鑽碳薄膜的特性與品質的影響。在特性的研究上，利用X光光電子能譜(XPS)、橢圓偏光儀(Ellipsometer)、拉曼光譜分析儀（Raman Spectroscopy）、掃描式電子顯微鏡（SEM）來做分析，在ITO基板的拉曼光譜分析顯示D peak和G peak分別位於1358 cm-1和1580 cm-1處，分別為類鑽碳薄膜的特徵峰；由SEM的分析，可分別觀察類鑽碳薄膜成長的均勻度及表面結構，成長最好品質的類鑽碳薄膜。
在改變各實驗參數的情況下，從電流-時間圖形和SEM表面可以觀察出，隨著電壓、濃度、溫度的增加，皆會使各種薄膜特性隨著改變。在拉曼的G peak偏移增加和XPS的Cls內部分解比例; sp2 / sp3的比例，可以從其變化發現工作電壓越大時，會越來越少。本研究由電流對時間的類鑽碳成長結果，再由SEM、XPS、拉曼以及穿透和折射性質的量測，我們得到一個深入瞭解電沈積類鑽碳薄膜成長條件和表面結構的關係。所得的結果，各方面性質都互相吻合。最後，尚有一些最佳化的研究，將留待下一階段繼續研究。

Diamond-Like Carbon (DLC) films have been deposited on ITO glass substrate. DLC thin film was electrodeposited at low DC potential using a mixture of acetic acid and DI water. The DLC film deposition parameters include DC potential, deposited temperature, the concentration of electrolyte were used to study the characteristics of DLC film measured by the Ellipsometer, XPS, SEM and Raman spectroscopy in detail. The Raman spectra shows two peaks located near 1358cm-1 and 1580cm-1 assigned as the characteristics peaks of DLC films. That is an evidence for DLC film deposited successfully on ITO glass. Scanning electron microscopy (SEM) can make insight into accurately the surface morphology and uniformity of DLC films so as used to grow the best quality of DLC films.
From the variations of the I-t curve and the surface morphology observed by SEM, the properties of DLC film depend on a verity of growth parameters such as applied voltage, the concentration of electrolyte and deposition temperature. The shift of G-peak increase with the applied voltage, and the sp2/sp3 ratio of the content C1s decreases with the applied voltage. Finally, based on the I-t curve and results of SEM, XPS, Raman, and Ellipsometer for n, k coefficients measured, we obtain a deeply understanding for the growth conditions of DLC films and their surface morphology. We achieve the consistent results between various measurements. Finally, the optimizing growth of DLC film is to be studied and discussed in future

致謝 Ⅰ
摘要 Ⅱ
Abstract Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ

第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究目的 3
1-3論文架構 4

第二章 理論基礎 5
2-1文獻回顧 5
2-2 類鑽碳的理論 6
2-2-1 類鑽碳的組成 6
2-2-2 類鑽碳的結構 9
2-2-3 類鑽碳的特性與應用 11
2-3 類鑽碳的成長機制 12
2-3-1電沉積的起源 12
2-3-2薄膜沉積現象 13
2-3-3長晶 13
2-3-4晶粒成長 14
2-3-5晶粒聚集 14
2-3-6縫道填補與薄膜的成長 15

第三章 實驗方法與儀器設備 17
3-1實驗材料與儀器設備 17
3-1-1 實驗材料 17
3-1-2 儀器設備 17
3-2類鑽碳成膜實驗操作步驟 18
3-2-1 基板的前置處理 18
3-2-2 電沈積之操作步驟 18
3-3儀器原理與量測 19
3-3-1掃瞄式電子顯微鏡(SEM) 19
3-3-2拉曼光譜儀 20
3-3-3橢圓偏光儀 28
3-3-4 X光電子能譜儀(XPS) 30

第四章 結果與討論 32
4-1電流曲線特性分析 32
4-1-1工作電壓之影響 32
4-1-2溫度之影響 33
4-1-3濃度之影響 34
4-1-4活化能比較 34
4-2 SEM表面分析 36
4-2-1工作電壓之影響 36
4-2-2溫度之影響 38
4-2-3濃度之影響 38
4-2-4沈積時間之影響 39
4-3 穿透光譜分析 40
4-4 X光光電子能譜分析 41
4-5 拉曼光譜分析 42

第五章 總結 43
參考文獻 103

表目錄
表 2-1 類鑽碳、鑽石和石墨性質比較 45
表 2-2類鑽碳應用 46
表 2-3 歷年來研究電沉積人員及對應實驗條件 47
表 4-1濃度0.2%；不同工作電壓下電流對時間的實驗條件 48
表 4-2濃度0.1%；不同工作電壓下電流對時間的實驗條件 48
表 4-3濃度0.05%；不同工作電壓下電流對時間的實驗條件 49
表 4-4濃度0.01%；不同工作電壓下電流對時間的實驗條件 49
表 4-5濃度0.2%；2.1V不同溫度下電流對時間的實驗條件 50
表 4-6濃度0.2%；50V不同溫度下電流對時間的實驗條件 50
表 4-7電壓2.1 V；不同電解液濃度下電流對時間的實驗條件 51
表 4-8電壓10 V；不同電解液濃度下電流對時間的實驗條件 51
表 4-9電壓50 V；不同電解液濃度下電流對時間的實驗條件 52
表 4-10經由高斯分解後的各峰值位置 52
表 4-11 C1s 的sp2與sp3結構的兩個面積的組成比例 52




圖目錄
Fig. 2-1石墨晶體的結構 53
Fig. 2-2鑽石晶體的結構 53
Fig. 2-3類鑽碳性質的界定 54
Fig. 2-4類鑽碳結構 54
Fig. 2-5非晶質含氫類鑽碳膜三元相圖 55
Fig. 2-6 DLC薄膜的DG模型結構 55
Fig. 2-7薄膜沉積的機構 56
Fig. 2-8核團聚結成長的情形 57
Fig. 2-9兩個半徑相當的晶粒聚結而成一個半徑更大的晶粒分解圖 57
Fig. 3-1電沉積系統之概要圖 58
Fig. 3-2電沉積系統裝置圖 58
Fig. 3-3拉曼之系統方塊圖 59
Fig. 3-4拉曼分光儀光路圖 59
Fig. 3-5三種不同級之光散射頻譜 60
Fig. 3-6拉曼散射和瑞立散射 60
Fig. 3-7各種碳結構的拉曼光譜圖 61
Fig. 3-8 經高斯分解後DLC薄膜之拉曼分析圖 61
Fig. 3-9 石墨微晶振動模式(a) E2g mode (b) E1u mode 62
Fig. 3-10在無窮晶格中之A1g 振動模式 62
Fig. 3-11 依G peak 大小與I(D)/I(G)比例區分圖 63
Fig. 4-1(a) 典型電解液I-V特性曲線圖 63
Fig. 4-1(b) 工作電壓與第一層類鑽碳膜覆蓋時間關係圖 64
Fig. 4-2(a) 第1組25℃不同工作電壓下電流對時間的圖形 64
Fig. 4-2(b) 第1組45℃不同工作電壓下電流對時間的圖形 65
Fig. 4-2(c) 第1組65℃不同工作電壓下電流對時間的圖形 65
Fig. 4-2(d) 第1組85℃不同工作電壓下電流對時間的圖形 66
Fig. 4-3第2組85℃不同工作電壓下電流對時間的圖形 66
Fig. 4-4第3組85℃不同工作電壓下電流對時間的圖形 67
Fig. 4-5第4組85℃不同工作電壓下電流對時間的圖形 67
Fig. 4-6在85℃溫度下工作電壓對電流的圖形 68
Fig. 4-7在0.2%醋酸濃度下工作電壓對電流的圖形 68
Fig. 4-8第5組2.1V不同溫度下電流對時間的圖形 69
Fig. 4-9第6組50V不同溫度下電流對時間的圖形 69
Fig. 4-10 0.2%下電流對溫度的圖形 70
Fig. 4-11第7組2.1V不同濃度下電流對時間的圖形 70
Fig. 4-12第8組20V不同濃度下電流對時間的圖形 71
Fig. 4-13第9組50V不同濃度下電流對時間的圖形 71
Fig. 4-14 0.2%電解液濃度ln I對1000/T(K)的圖形 72
Fig. 4-15電解液濃度0.2 %的活化能 72
Fig. 4-16 25℃不同工作電壓下的SEM表面圖 74
Fig. 4-17 85℃不同工作電壓下的SEM表面圖 76
Fig. 4-18(a) 85℃工作電壓2.1V下的SEM剖面圖 77
Fig. 4-18(b) 85℃工作電壓10V下的SEM剖面圖 77
Fig. 4-18(c) 85℃工作電壓20V下的SEM剖面圖 78
Fig. 4-18(d) 85℃工作電壓40V下的SEM剖面圖 78
Fig. 4-18(e) 85℃工作電壓50V下的SEM剖面圖 79
Fig. 4-19 85℃工作電壓與厚度成長關係圖 79
Fig. 4-20(a) 2.1V不同溫度下的SEM表面圖 81
Fig. 4-20(b) 50V不同溫度下的SEM表面圖 82
Fig. 4-21(a) 2.1V不同濃度下的SEM表面圖 83
Fig. 4-21(b) 50V不同濃度下的SEM表面圖 85
Fig. 4-22(a) 沈積4秒的電流對時間圖形 85
Fig. 4-22(b) 沈積4秒的SEM圖形 86
Fig. 4-23(a) 沈積8秒的電流對時間圖形 86
Fig. 4-23(b) 沈積8秒的SEM圖形 87
Fig. 4-24 (a) 沈積12秒的電流對時間圖形 87
Fig. 4-24(b) 沈積12秒的SEM圖形 88
Fig. 4-25(a) 沈積300秒的電流對時間圖形 88
Fig. 4-25(b) 沈積300秒的SEM圖形 89
Fig. 4-26(a) 沈積3600秒的電流對時間圖形 89
Fig. 4-26(b) 沈積3600秒的SEM圖形 90
Fig. 4-27 0.2%45℃各種電壓下的穿透光譜 90
Fig. 4-28 0.2%45℃各種電壓SEM圖形 91
Fig. 4-29 0.2%25℃各種電壓下的穿透光譜 92
Fig. 4-30 85℃各種電壓下的穿透光譜 92
Fig. 4-31 2.1V不同溫度下的SEM圖形 93
Fig. 4-32 0.1%各種電壓下的穿透光譜 93
Fig. 4-33 0.05%各種電壓下的穿透光譜 94
Fig. 4-34(a) 02%45℃各工作電壓的折射率 95
Fig. 4-34(b) 02%45℃各工作電壓的消光係數 95
Fig. 4-35(a) 02%85℃各工作電壓的折射率 96
Fig. 4-35(b) 02%85℃各工作電壓的消光係數 96
Fig. 4-36(a) 005%85℃各工作電壓的折射率 97
Fig. 4-36(b) 0.05%85℃各工作電壓的消光係數 97
Fig. 4-37 XPS C1s光譜(a)鑽石(b)石墨(c)類鑽碳 98
Fig. 4-38(a) 2.1V的Cls位置X光光譜 99
Fig. 4-38(b) 10V的Cls位置X光光譜 99
Fig. 4-38(c) 20V的Cls位置X光光譜 100
Fig. 4-38(d) 40V的Cls位置X光光譜 100
Fig. 4-38(e) 50V的Cls位置X光光譜 101
Fig. 4-39 電壓與sp2/sp3的比例關係圖 101
Fig. 4-40 量測拉曼圖形 102
Fig. 4-41 電壓對拉曼圖形G-peak的關係 102

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