- 學位論文
奈米金屬及其氧化物之合成與表面處理
Synthesis and Surface Treatment of Nano-Sized Metals and Metal Oxides
摘要
一般傳統科學理論、技術於奈米尺度下均已不適用，因於此尺度之物理及化學性質與較大尺寸所呈現者截然不同，當物質尺寸介於1 nm 至100 nm 範圍，常會伴隨產生新特性與現象，例如奈米金屬粒子因其小尺度使其具有塊材並未具備之磁特性，如超順磁性、極高之矯頑磁力以及較低之居禮溫度及飽和磁化率等，而磁性金屬奈米線其於不同方向之矯頑力存在相當大之差異，當奈米線之長寬比增加時，其與長端平行之矯頑磁力將隨之增大。由於具備上述之特點，使得此些奈米材料已成為現今研究之焦點。此外，由於一般之奈米材料有時無法完全滿足未來之各項須求，必須藉由材料之表面處理及混成等技術改變其特性，增加其應用潛力，因此奈米材料之表面處理技術亦成為重要課題之一，本研究即針對化學機械研磨用奈米材料之表面處理以及磁性奈米材料之合成分別進行研究。 近年由於半導體元件之積集度需求提高，其尺寸及線寬縮小釵h，數年間已由微米降至奈米尺度。而於此奈米尺度下，原先用於微米製程之材料與技術將不再適用，必須尋求新解決方案。例如於化學機械研磨製程中所使用研磨漿料內所含之粉體，如二氧化鈰等，於使用一段時間後將產生沉降現象，導致研磨速率將因研磨漿料粒子濃度改變而不易控制。此現象於傳統微米製程中影響較不嚴重，然而於奈米級製程中則因元件尺寸極小，極易形成研磨過度或不足之情形而造成元件損壞。為克服此問題，本研究於易沉澱之二氧化鈰粉體表面利用矽烷之水解聚合作用使其表面被覆一層末端為胺基之矽烷分子，比較其與未改質粉體之沉降情形，並探討其表面電位之變化。本研究發現經改質之二氧化鈰粉體其表面電位對pH值之曲線，因矽烷所帶具正電荷之胺基故而向高pH值偏移，而此表面電位之改變則使其於水中之懸浮時間較未改質之粉體延長釵h，此研究成果將可改善研磨粉體之分散情形，提昇化學機械研磨之效率。另外，於化學機械研磨製程中，研磨金屬層常利用ㄛ菑T氧化二鋁作為研磨漿料用粉體。其於低pH值下之表面電位值較高，粉體間彼此排斥力大而使分散性較佳，因此ㄛ菑T氧化二鋁較適合於低pH值（酸性）下之金屬研磨。但於酸性條件下，金屬除被三氧化二鋁研磨外，亦會被酸腐蝕，故較難控制其研磨速率。為改善此情形，本研究利用矽烷之水解聚合作用製備表面被覆二氧化矽之ㄛ菑T氧化二鋁複合粉體，經改質之粉體其於高pH值之表面電位值較未改質者提高，使金屬之研磨亦可於高pH值下進行。因於高pH值下（鹼性條件下）金屬較無腐蝕之問題，故利用本研究所合成之ㄛ菑T氧化二鋁－二氧化矽複合粉體作為研磨漿料，則可單純藉由改變粉體濃度而達控制研磨速率之目的，此研究成果將對奈米級元件製程有所助益。本研究部分成果已獲1件中華民國專利（第00539741號）及1件美國專利（US6673132）。 於儲存媒體與感測材料方面，其發展方向近年亦朝向奈米尺度進行，以求達至更小之元件體積、更高之儲存密度與更佳之靈敏度，磁性奈米粒子與磁性奈米線均為研究之重點。於磁性奈米粒子方面，本研究分別利用不同還原方式製備鎳金屬奈米粒子，分析所合成粒子之型態等特性，比較各種合成方式之優劣。此外由於以奈米粒子作為磁性記憶元，粒子間儲存之磁訊號常因彼此距離過近，磁偶極矩互相干擾而導致所儲存之資訊改變。為減低磁訊號之衰減，本研究將鎳奈米粒子進行表面改質，使其表面披覆一層二氧化矽絕緣層，此絕緣層可有效減低磁性粒子間之作用力，使個別粒子之磁矩之行為不易因彼此作用或外加磁場而改變，可提升個別粒子儲存磁訊號之能力，故本研究成果將有助於開發高儲存密度之奈米磁性儲存媒體。 於磁性奈米線方面，具多層結構之磁性奈米金屬線因其具備小尺寸及優良之磁特性，故成為各界研究感測材料之重點。本研究以具均勻且垂直孔洞之氧化鋁為基板，利用電化學沉積法合成鎳 / 銅與鈷鎳 / 銅多層磁性金屬奈米線，並藉由控制模板孔徑與各金屬層沉積時間，改變其磁滯等特性，探討其型態與磁性間之關係，此研究結果將可應用於未來之磁感測元件。
並列摘要
Nanomaterials are an important class of materials in the modern era of miniaturization. When size of materials decreases to the range of 1 to 100 nm, the physical and chemical properties of these materials are quite different from bulk materials. In this scale, the traditional theories and techniques are not applicable. For instance, magnetic metal particles of this size exhibit unique magnetic properties where as bulk materials did not have, such as superparamagnetism, high coercivity, and low Curie temperature. Magnetic metal nanowires exhibit high magnetic anisotropy on coercivity when the aspect ratio increases. Due to these characteristics, researchers nowadays focused on the study and applications of these materials. In addition, traditional materials, even these new nanomaterials, do not fully satisfy the need for future applications. One of the important techniques called surface treatment can be applied to change the properties of nanomaterials to improve their potential for more applications. Hence, the study of surface treatment is now a hot topic for the researchers. In this work, we study the surface treatment of nano-sized metal oxides, the synthesis of magnetic metal nanoparticles and multilayer metal nanowires. In recent years, due to the need for more compact semiconductor devices, the size and line width are scaled down from micron to nanometer range. In the nanometer scale, many conventional materials and techniques are no longer suitable for fabrication. For instance, CeO2 particles used in chemical mechanical polishing (CMP) may easily precipitate after a period of time. This phenomenon would change the polishing rate as the slurry concentration changes. In the process of nanometer scale, this drawback would cause severe damage to the device. To overcome this problem, we use silane to modify the surface of CeO2 particles. The amino group of silane shifts the zeta potential of CeO2 particles to higher pH. The surface modified CeO2 particles exhibit better stability when dispersed in water and is helpful for the improvement of the efficiency of CMP. For modification of
參考文獻
延伸閱讀
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