氧氣輔助電漿輔助式化學氣相沉積法低溫合成單壁奈米碳管之研究

Low Temperature Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes by Oxygen-Assisted Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

蕭仲軒(Zhong-Xuan Xiao)

指導教授 ： 蔡春鴻 ； 柳克強

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2007年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2007.00684

摘要

單壁奈米碳管( SWNTs)由於其特殊的物理性質與廣泛的應用潛力，尤其在場效電晶體( FET)與奈米光電元件( nano-photonic devices)等，因此掀起了近年來的研究熱潮。為了將定位成長單壁奈米碳管的技術與現今半導體製程整合，因此發展低溫合成單壁奈米碳管製程是絕對需要的。目前常用的單壁奈米碳管製程方法為催化劑式化學氣相沉積法( Catalytic Chemical Vapor Deposition, CCVD)，其可分為熱裂解式化學氣相沉積法( Thermal pyrolysis CVD, TPCVD)與電漿輔助式化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)兩種，兩者之間的最大差異在於利用後者成長單壁奈米碳管所需的溫度較前者低。本研究將利用PECVD來合成單壁奈米碳管，藉由電漿輔助碳源氣體的裂解，以降低合成單壁奈米碳管所需的溫度。
本論文的實驗部份將分成兩部份來討論。首先在論文實驗的一開始，以CH4與H2作為製程氣體，利用Ni/Al催化系統，在600 ℃下，以PECVD在矽基板上合成出單壁奈米碳管。為了更進一步地改善單壁奈米碳管的品質，因此在原先的製程氣體中混入0.25% O2，進而合成出高品質的單壁奈米碳管，其ID/IG比值( 表示奈米碳管之石墨化程度)約為0.1。依目前為止的實驗結果與部份文獻比較，推測由於在電漿環境中的H自由基會抑制sp2之石墨結構的單壁奈米碳管形成，因此藉由通入適量的O2，可使製程環境中的O自由基與H自由基產生反應而形成OH分子，降低H自由基對單壁奈米碳管的傷害，因而合成出高品質的單壁奈米碳管。除了Ni/Al催化系統之外，適量的O2對改善單壁奈米碳管的品質之功效也可應用於其它的催化系統，例如SiO2/Ni/SiO2/Si催化系統。利用SiO2/Ni/SiO2/Si催化系統進行橫向成長實驗時，若在製程氣體中通入微量O2(0.25 % O2)，可使成長好的單壁奈米碳管之ID/IG比值，由原先未通O2之0.68降至0.29，雖然未針對此催化系統進行不同O2通量對於單壁奈米碳管品質影響之探討，但單就此實驗結果而言，通入微量O2確實對於其他催化系統仍有幫助。在本論文的第二部份中，利用SiO2/Ni/SiO2/Si催化系統，成功地在PECVD製程系統橫向成長出單壁奈米碳管。並藉由在碳源氣體CH4中添入少量C2H2，可將橫向成長的單壁奈米碳管之長度，由原先的1μm增長至3-5 μm。未來若能細調實驗參數，將橫向成長的單壁奈米碳管長度增長至10μm以上，將可提供本實驗室一個低溫元件製程的新選擇。

關鍵字

單壁奈米碳管 ； 場效電晶體 ； 電漿輔助式化學氣相沉積法

參考文獻

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