臺灣博碩士論文加值系統

五氧化二鉭(Tantalum(V) oxide, Ta2O5) 具有許多物理和化學的特性，可作為光觸媒材料、抗反射材料和抗腐蝕材料。且其具有高介電常數，使應用於半導體元件中。
本研究捨棄常見之溶膠凝膠法，改以沉澱法合成Ta2O5粉末。以TaCl5及Na2O2為起始物，甲醇為溶劑，製備出”Ta2O5前驅物”，再經由傳統及固態微波兩種不同熱處理方式得到產物Ta2O5或Ta2O5•nH2O。同時也直接將Ta2O5前驅物經由搭配微波反應合成出Ta2O5。本研究中利用X-ray繞射分析儀、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)、顯微拉曼(Micro-Raman)、穿透式電子顯微鏡(TEM)及掃描式電子顯微鏡(SEM)鑑定之。並進一步利用微光致螢光系統(PL)研究其光致螢光特性。
研究結果顯示所得之Ta2O5前驅物經固態微波熱處理400 °C或傳統熱處理700 °C兩個小時可得結晶性之Ta2O5，顯示以固態微波可有效的將形成結晶性的溫度下降達300 °C。若直接將Ta2O5前驅物在120 °C下進行微波反應，所得產物為尺寸均一且分散性良好之Ta2O5•nH2O微米球體，並可藉由調整Ta2O5前驅物濃度及微波反應時間來控制球體尺寸，並了解其形成機制。此Ta2O5•nH2O球體藉若經傳統熱處理700 °C或固態微波熱處理600 °C，將可轉變成結晶性之Ta2O5球體。本研究所製備出Ta2O5及Ta2O5•nH2O皆具光致螢光特性，皆為TaO6及TaO7單元中平面氧位置之空缺。

Tantalum(V) oxide (Ta2O5) has received considerable research interest due to its physical and chemical properties. This material is widely applicable in photocatalysts, anti-reflectants, and corrosion-resistant materials. It also has a high dielectric constant, allowing it to be applied in semiconductor components. This study discards the commonly seen sol-gel method, instead using the precipitation method to synthesize Ta2O5 powder.
TaCl5 and Na2O2 are used as the starting materials, and methanol is used as the solvent. The “Ta2O5 precursor” is then prepared. Two different heat treatments are then used the traditional and the microwave-assistant heat treatment to obtain the products Ta2O5 or Ta2O5•nH2O. At the same time, the Ta2O5 precursor is directly synthesized into Ta2O5 with a microwave-assistant reaction. In this study, X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), micro-Raman, transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscope (SEM) are used for characterization. Photoluminescence (PL) is further used to research its photoluminescent properties.
The research results indicate that the Ta2O5 is obtained when processing with microwave-assistant heat treatment at 400 ºC, or with traditional heat treatment at 700 ºC for two hours; indicating that microwave-assistant heat treatment can effectively lower the temperature of the formation of crystalline by 300 ºC. If a microwave-assistant reaction is directly performed on the Ta2O5 precursor at 120 ºC, the obtained products are Ta2O5•nH2O micron spheres with the uniform size and good dispersion. The concentration and reaction time of the Ta2O5 precursor can be adjusted to control the size of the spheres and to understand its formation mechanism. If these Ta2O5•nH2O spheres are given traditional heat treatment at 700 ºC or microwave-assistant heat treatment at 600 ºC, they can transform into crystalline Ta2O5 spheres. The Ta2O5 and Ta2O5•nH2O prepared in this study all possess photoluminescence, which are the results of oxygen missing in the elements TaO6 and TaO7.

第一章 序論 4
1.1 前言 4
1.2文獻回顧 6
1.3 研究動機 16
1.4基本理論 17
1.4.1 沉澱法 17
1.4.2 微波加熱原理 18
1.4.3光致螢光光譜 20
第二章 材料與方法 22
2.1 實驗藥品及儀器設備 22
2.1.1一般敘述 22
2.1.2實驗藥品 22
2.1.3實驗儀器設備 23
2.2 Ta2O5合成步驟 24
2.2.1實驗流程圖 24
2.2.2 Ta2O5合成步驟 25
2.2.3 儀器分析條件 28
第三章 結果與討論 33
3.1 Ta2O5前驅物之合成 33
3.1.1 FT-IR及Raman分析 33
3.2利用不同形式之熱處理合成Ta2O5之研究 35
3.2.1 XRD分析 36
3.2.2 FT-IR分析 39
3.2.3 Raman分析 42
3.2.4 穿透式電子顯微鏡(TEM)分析 45
3.2.5 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 50
3.2.6 光致螢光(PL)分析 53
3.2.7 反應路徑之研究 56
3.3 利用密閉式微波反應合成Ta2O5之研究 58
3.3.1 改變微波反應溫度對形成Ta2O5之影響 58
3.3.1.1 FT-IR分析及Raman分析 58
3.3.1.2 TEM分析及SEM分析 61
3.3.2 改變Ta2O5前驅物濃度對於形成Ta2O5•nH2O球體之影響 65
3.3.2.1 SEM分析 65
3.3.2.2 FT-IR及Raman分析 69
3.3.3 改變密閉式微波反應時間對於形成Ta2O5．nH2O之影響 71
3.3.3.1 SEM分析 71
3.3.3.2 FT-IR及Raman分析 74
3.3.3.3 EDX分析 76
3.3.3.4 反應路徑之研究 76
3.3.4 傳統及固態微波熱處理對於形成Ta2O5球體之影響 82
3.3.4.1 XRD分析 82
3.3.4.2 TEM分析 85
3.3.4.3 Raman及FT-IR分析 90
3.3.4.4 SEM分析 92
3.3.4.5 光致螢光(PL)分析 95
第四章 結論 97
第五章 參考文獻 98

圖目錄
圖1-1 不同 Ta2O5 之晶相:(a) 六方晶相 (鉭原子-灰色圓，氧原子-黑色圓)，(b) 斜方晶相-較對稱 (鉭原子-空心圓，氧原子-實心圓)，(c) 四方晶相 (鉭原子-黑色圓，氧原子-灰色圓)，(d) 斜方晶相-較不對稱 (鉭原子-黑色圓，氧原子-灰色圓)。 7
圖1-2沿 Z 軸投影之Ta2O5結構。 8
圖1-3利用電化學陽極氧化法合成Ta2O5奈米管之機制圖。 11
圖1-4利用合成聚苯乙烯球體當作模板合成 Ta2O5 中空球體之 13
圖1-5各種電磁波的波長和頻率範圍。 20
圖1-6分子結構中電子-電洞結合放出螢光示意圖。 21
圖2-1 Ta2O5合成流程圖 24
圖 3-1 不同反應天數所得 Ta2O5 前驅物之 FT-IR 圖。 34
圖 3-2不同反應天數所得 Ta2O5 前驅物之 Raman 圖。 35
圖 3-3 Ta2O5 前驅物經過不同傳統熱處理所得之產物之 XRD 粉末繞射圖。 37
圖 3-4 Ta2O5 前驅物經過不同固態微波熱處理所得之產物之 XRD 粉末繞射圖。 38
圖 3-5 Ta2O5 前驅物經過不同傳統熱處理溫度所得之產物FT-IR 光譜。 41

圖 3-6 Ta2O5 前驅物經過不同固態微波熱處理溫度所得產物之 FT-IR 光譜。 41
圖 3-7 Ta2O5 前驅物經過不同傳統熱處理溫度所得產物之 Raman 光譜。 43
圖 3-8 Ta2O5 前驅物經過固態微波傳統熱處理溫度所得之產物之 Raman 光譜。 44
圖 3-9 Ta2O5 前驅物經過傳統熱處理 700 °C 所得之產物: (a) TEM， (b)、(c)高解析圖，(d) 電子選圈繞射圖。 46
圖3-10 Ta2O5前驅物經過傳統熱處理600 °C所得之產物: (a)、(c) TEM，(b)、(d) 電子選圈繞射圖。 47
圖 3-11 Ta2O5 前驅物經過固態微波熱處理 400 °C 所得之產物: (a) TEM，(b)、(c) 高解析圖，(d) 電子選圈繞射圖。 48
圖 3-12 Ta2O5 前驅物經過固態微波熱處理 300 °C 所得之產物: (a)、(c) TEM，(b)、(d) 電子選圈繞射圖。 49
圖 3-13 Ta2O5 前驅物經過不同傳統熱處理溫度所得之產物: (a) 100 °C，(b) 200°C，(c) 300 °C，(d) 500 °C，(e) 600 °C，(f) 700 °C之SEM圖(倍率為30 K)。 51
圖3-14 Ta2O5前驅物經過不同固態微波熱處理溫度所得之產物: (a) 100°C，(b) 200 °C，(c) 300 °C，(d) 400 °C，(e) 500 °C，(f) 600 °C之SEM圖(倍率30 K) 。 52
圖 3-15 Ta2O5 前驅物經過不同傳統熱處理溫度所得產物之 PL 圖譜。 55
圖 3-16 Ta2O5 前驅物經過不同固態微波熱處理溫度所得之產物之 PL 圖譜。 55
圖3.19 Ta2O5前驅物經過不同密閉式微波反應溫度所得之產物之 FT-IR光譜。 60
圖3-20 Ta2O5前驅物經過不同密閉式微波反應溫度所得之產物 之 Raman光譜。 60
圖3-21 Ta2O5前驅物經過密閉式微波反應120 °C所得之產物: (a) TEM， (b) 電子選區繞射。 62
圖3-22 Ta2O5前驅物經過密閉式微波反應140 °C所得之產物: (a) TEM， (b) 電子選區繞射。 62
圖3-23 Ta2O5前驅物經過不同密閉式微波反應溫度所得之產物: (a) 60 °C，(b) 80 °C，(c) 100°C，(d) 120 °C，(e) 140 °C之SEM(倍率10 K)。 63
圖3-24 Ta2O5前驅物經過不同密閉式微波反應溫度所得之產物：(a) 60°C，(b) 80 °C，(c) 100 °C，(d) 120 °C，(e) 140 °C之SEM(倍率30 K)。 64
圖3-25 不同克數之Ta2O5前驅物搭配20 mL甲醇進行密閉式微波熱處理溫度120 °C 30分鐘所得之產物: (a) 0.05 g，(b) 0.10 g，(c) 0.15 g，(d) 0.20 g之SEM(倍率10 K)。 66
圖3-26不同克數之Ta2O5前驅物搭配20 mL甲醇進行密閉式微波熱處理溫度120 °C 30分鐘所得之產物: (a) 0.05 g，(b) 0.10 g，(c) 0.15 g，(d) 0.20 g之SEM (倍率30 K)。 67
圖3-27 Ta2O5前驅物濃度與球體粒徑關係圖。 68
圖3-28不同克數之Ta2O5前驅物與20 mL甲醇進行密閉式微波反應溫度120 °C 30分鐘所得之產物之FT-IR光譜。 70
圖3-29不同克數之Ta2O5前驅物與20 mL甲醇進行密閉式微波反應溫度120 °C 30分鐘所得之產物之Raman光譜。 70
圖3-30 Ta2O5前驅物經過不同時間之密閉式微波反應120 °C30分鐘所得產物: (a)、(b) 5分鐘，(c) 10分鐘，(d) 20分鐘，(e) 30分鐘之SEM (倍率10 K)。 72
圖3-31 Ta2O5前驅物經過不同時間之密閉式微波反應120 °C30分鐘所得產物: (a)、(b) 5分鐘，(c) 10分鐘，(d) 20分鐘，(e) 30分鐘之SEM (倍率30 K)。 73
圖3-32 Ta2O5前驅物經過不同時間之密閉式微波熱處理溫度120 °C所得之產物之Raman光譜。 75
圖3-33 Ta2O5前驅物經過不同時間之密閉式微波熱處理溫度120 °C所得之產物之FT-IR光譜。 75
圖3-34 Ta2O5前驅物經過密閉式微波反應120 °C 5分鐘所得產物之EDX分析。 78
圖3-35 Ta2O5前驅物經過密閉式微波反應120 °C 10分鐘所得產物之EDX分析。 79
圖3-36 Ta2O5前驅物經過密閉式微波反應120 °C 20分鐘所得產物之EDX分析。 80
圖3-37 Ta2O5前驅物經過密閉式微波反應120 °C 30分鐘所得產物之EDX分析。 81
圖3-38 Ta2O5•nH2O球體經過不同溫度之傳統熱處理所得產物之XRD粉末繞射圖。 83
圖3-39 Ta2O5•nH2O球體經過不同溫度之固態微波熱處理所得產物之XRD粉末繞射圖。 84
圖3-40 Ta2O5•nH2O球體經過傳統熱處理700°C所得之產物: 86
(a) TEM，(b)高解析圖，(c)電子選區繞射。 86
圖3-41 Ta2O5•nH2O球體經過傳統熱處理600 °C所得之產物: (a)、(b) TEM，(c)電子選區繞射。 87
圖3-42Ta2O5•nH2O球體經過固態微波熱處理600 °C所得之產物: (a)TEM，(b)高解析圖，(c)電子選區繞射。 88
圖3-43 Ta2O5•nH2O球體經過固態微波熱處理500 °C所得之產物: 89
(a)、(b)TEM，(c)電子選區繞射。 89
圖3-44 Ta2O5•nH2O球體經過不同溫度之傳統熱處理及固態微波熱處理所得產物之Raman光譜。 91
圖3-45 Ta2O5•nH2O球體經過不同溫度之傳統熱處理及固態微波熱處理所得產物之FT-IR光譜。 91
圖3-46 Ta2O5．nH2O球體經過不同溫度之傳統熱處理及固態微波熱處理所得之產物： (a) CT 500 °C，(b) CT 600 °C，(c) CT700 °C，(d) MW 400 °C，(e) MW 500 °C，(f) MW 600 °C之SEM (倍率10 K)。 93
圖3-47 Ta2O5．nH2O球體經過不同溫度之傳統熱處理及固態微波熱處理所得之產物： (a) CT 500 °C，(b) CT 600 °C，(c) CT700 °C，(d) MW 400 °C，(e) MW 500 °C，(f) MW 600 °C之SEM (倍率30 K)。 94
圖3-48 Ta2O5．nH2O球體經過不同溫度之傳統熱處理及固態微波熱處理所得產物之螢光光譜。 96

表目錄
表1.1 不同 Ta2O5 晶相之晶格常數 7
表2.1 實驗條件整理 27
表2-2斜方晶相 Ta2O5（β-Ta2O5, JCPDS No.25-0922 繞射峰位置及晶格面 29
表2-3六方晶向 Ta2O5（δ-Ta2O5, JCPDS No.19-1299 繞射峰位置及晶格面 29
表 2-4 Ta2O5 FT-IR 振動模式及波數之值 30
表 2-5 Ta2O5 Raman 振動模式及波數之值 31

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