- 學位論文
以化學氣相傳輸法製備單晶β-FeSi2奈米線及其性質量測
Synthesis and Properties of Single-Crystal β-FeSi2 Nanowires by Chemical Vapor Transport Method
摘要
近幾十年來，許多種材料的奈米線受到廣泛地討論，而金屬矽化物與純金屬比較，具有較好的熱穩定性和不容易被氧化的特性，且有較佳的抗腐蝕能力；且大部分的金屬氧化物相對於金屬也具有較低的電阻。所以金屬矽化物也是第一個被應用MOS結構中的閘極（gate）、ohmic contacts、光電元件、熱電元件和 Scotty barriers的材料。而最近有許多過渡金屬矽化物，例如：NiSi、CoSi2、TiSi等，皆以化學合成方式被製備出來。 至今，β-FeSi2所有過渡金屬矽化物中唯一被拿來應用在LED元件裡的材料，而從Fe-Si的相圖中，我們可以看到Fe與Si有許多不同的相，例如Fe3Si、FeSi2、Fe5Si3、FeS等；顯示了Fe、Si系統在不同成分比例組成下的複雜性。在這個實驗中，我們以化學氣相傳輸法(chemical vapor transport, CVT)合成β-FeSi2奈米線，此實驗是以FeCl3作為前驅物，並將成長溫度設定在840~900°C，成長時間設定在2到4小時之間，且以80% Ar和20%H2混合氣體當作載流氣體（carrier gas），反應壓力控制在1 torr左右，成功地在Si基板上生成β-FeSi2奈米線。 我們分別以XRD、SEM、EDX、ESCA和TEM對奈米線作結構、形貌與成分的鑑定，XRD顯示出β-FeSi2相的存在；SEM則是發現在成長奈米線前，Si基板上會先成長一層約2~3μm的β-FeSi2薄膜，再成長β-FeSi2奈米線，且奈米線的長度約為5~數十μm，直徑約為100nm；在EDX的分析中，我們可以知道奈米線的組成中，有Si、Fe和O三種元素，且Si的比例遠多於Fe；且以ESCA對試片表面去作分析；在TEM的分析中，我們可以得知奈米線的成長方向為<321 ̅>，且在外層會有一層薄薄的SiO2層，而在I-V電性量測下，可以得到β-FeSi2奈米線的電阻率約為3006μΩ-cm，略低β-FeSi2塊材之電阻率。 雖然到目前為止，矽化鐵奈米結構的生成機制尚不明朗，但是有不同的文獻指出在謹慎小心地控制溫度、壓力、載流氣體流量等基本參數，依舊可以利用CVT法合成出形貌為一維的奈米線或是奈米螺旋狀結構。