• 學位論文

簡易合成二氧化鈦/氮氧化鈦的複合材料及其應用在鋰離子電池

本研究利用水熱法和酸洗步驟得到鈦酸氫粉末，並在高溫氨氣環境下調控反應時間及溫度來得到二氧化鈦/氮氧化鈦複合材料。此次研究中導電材料氮氧化鈦是直接由二氧化鈦轉變而成，此緊密的貼合可以有效的傳導電子，而不須添加額外導電材料之一鍋化合成(one-pot synthesis)能夠有效地減少實驗步驟。 此複合材料具備良好之導電網絡，改善了一般二氧化鈦導電性不好之缺點。於合成之二氧化鈦/氮氧化鈦複合材料中，N7樣品在0.3 C掃描速率下有182 mAh g-1之電容值，並且在15 C之高速掃描速率下仍有85 mAh g-1之電容值，在變速率掃描下也有良好之表現。這些結果顯示了此複合材料可以作為一個優異的鋰離子電池陽極材料

• 學位論文

奈米碳管海棉氣體檢測器的製作與特性研究

奈米碳管海棉以一種創新的方法去製成有機氣體檢測器並加以利用進行研究。奈米碳管海棉以濃硫酸和硝酸加以酸化並將其加入聚乙烯醇水溶液。當將其碳管液放入冰箱中結冰後，在低壓中利用昇華的方式移除冰，然後遺留下來的便為奈米碳管海棉。以兩塊銅片為電極去放在海棉的兩側做為一個有機氣體檢測器。隨著有機氣體的吸附和脫附造成檢測器的電阻改變，並加以記錄。發現以奈米碳管海棉做成的檢測器對於丙酮和乙醇是展現相當高的響應。 為了縮短檢測器的回復時間，是利用電流去加熱碳管海棉檢測器和增加氣體的脫附速率。當一個相當高的電壓是被施加時，電阻可以在五分鐘內回復並縮短回復時間。而且在經過過電加熱之後，對於碳管海棉的結構並沒有太大的改變。另外在相對濕度的測試中，發現飽和最大電阻值和靈敏度是隨著相對濕度的增加呈現線性的增加。

• 學位論文

以奈米碳管作為標定物之新穎生物感測器

因申請專利緣故，資料延後公開

• 學位論文

鋰離子二次電池電極與電解液介面現象的研究與應用

鋰離子二次電池(LIB)因為擁有高能量密度、輕量化與環保的特性而被大量應用在可攜式電子產品的電源上。近年來除了針對電極中主要活性物質進行探討之外，許多研究也發現電解液與電極的固液異相介面對電池電性的影響也是至關重要，該介面不只影響電池的長效循環穩定性甚至與電池的安全性有關。在此研究中，三種方式被用來改良此介面的性質: (1)由基礎著手，針對單一活物顆粒進行表面包覆；(2)進一步直接在製作完成的電極片上作鍍膜；(3)從另一方面進行，改變電解液的添加成分再反應到電極表面上。 鋰鈦氧(LTO)包覆石墨顆粒以溶凝膠法合成再經過燒結得到。此核(石墨)殼(鋰鈦氧)結構中石墨顆粒大小為20 µm，而鋰鈦氧的厚度約為60-100 nm。此鋰鈦氧-石墨化合物作為鋰離子負極活物，與原本的石墨比起來可提高充電電流耐受性以及常溫下和55˚C下的循環壽命；電化學阻抗分析(EIS)中顯示，鋰鈦氧-石墨化合物負極在60次循環的過程中明顯抑制了阻抗升高；此外，以拉曼(Raman)圖譜測試在常溫與55˚C的60次循環充放電前後的電極之ID/IG (無序碳/石墨化碳結構)的比值，發現純的石墨負極在60次的循環後，此比值有重大的增加，顯示石墨化結構的大量受破壞；而鋰鈦氧包覆的石墨電極在60次的循環後此比值僅有微量增加。 原子級膜濺鍍法(ALD)為一新的電極加工方式，將二氧化鈦(TiO2)奈米膜層均勻的鍍在先前製備完成的石墨負極上。經由精確的厚度控制(約40 nm)所製備出的二氧化鈦-石墨電極在循環壽命上有優異表現；表面阻抗方面，在100個充放電循環下仍可以有效抑制質傳阻抗(Rct)的增加，且在拉曼圖譜中此二氧化鈦-石墨負極在充放電循環後也顯示出完整石墨結構的保持性。此兩種針對石墨碳材的表面改質由於增加了電解液與電極界面(SEI)的穩定性，使得在充放電過程中維持了電極中石墨結構的穩定性，進而提升了電池的循環壽命。 槲皮素(Quercetin) 是一有機抗氧化劑，在此被添加到鋰離子電池的電解液(LiPF6/EC+ EMC+DMC)中強化了電池的電化學特性，包括循環壽命過充電耐受度及安全性；且在特定的(0.05%)添加量下，對原本電性(C-rate)無不良影響。鋰鈷氧(LiCoO2)與碳組成的全電池在3C-6V過負載充電下，有添加槲皮素的電池與一般電池比較可延長損毀時間高達800秒。此改善現象源自電解液添加劑所誘導之電極表面鈍化微結構的形成，一方面減少電極與電解液的直接接觸，另一方面抑制了表面阻抗的增加。 本研究針對鋰離子電池電解液與電介面，提供可行之改善方法來提升電性效能以滿足電器中高功率、長效循環與安全性的訴求。

• 學位論文

使用熱處理改善奈米碳管/環氧樹脂複合材之分散性

奈米碳管/高分子複合材被廣泛的使用在各項工程領域與產品上，但實際應用上，奈米碳管在高分子基材中有容易分散不均勻,以及高分子與奈米碳管表面包覆不良好，造成機械強度、電性…等與理想值有顯著的差異。本研究發現，經由數次的加溫熱處理，便能有效改善奈米碳管在複合材中之分散程度與表面包覆情形，SEM數據直接的地顯示出熱處理後奈米碳管在高分子基材中分散更為均勻，利用電性量測、熱傳導分析來探討複合材料中電子與聲子的傳遞途徑在熱處理前後已經改變，證實了使用一種簡單且無破壞性的方式，不僅能改善碳管在複合材料中的分散性，進一步強化複合材料的電性與機械強度。

• 學位論文

六角最密堆積金屬奈米晶體陣列 之製備、性質與應用研究

本論文著重於大面積六角最密堆積金屬奈米晶體陣列的製程開發。金屬奈米晶體的結構鑑定、表面電漿子共振特性以及其在表面增強拉曼散射光譜上的應用，也在本論文中探討與研究。 此種製作大面積、高密度六角最密堆積金屬(金、銀)奈米晶體陣列的製程，結合膠體粒子微影法與退火，成功利用表面能差異，使金屬薄膜形成金屬奈米晶體。此方法可藉由調控金屬薄膜的厚度與膠體粒子的尺寸，準確掌控金屬奈米晶體陣列中晶體的尺寸與中心距離。此外，可藉由適當的表面前處理與金屬鍍膜方法，製作出具有均勻的粒徑分佈的金屬奈米晶體陣列。表面前處理可改善金屬膜的均勻性與連續性，並將均勻金屬薄膜的厚度推降到四奈米，拓展了此製程對金屬奈米晶體尺寸的調變度。此製程製作出的金屬奈米晶體陣列具有面積大於30 × 40 μm2¬的單一排列順序之超晶格¬，並可利用轉印法成功將此金屬奈米晶體陣列從矽基板翻轉至可撓曲的基板上。除金屬奈米晶體外，亦可藉由調變退火氣氛、溫度與時間製作出不同的金屬/氧化物複合奈米結構(包含核殼結構與核/枝狀結構)，並能掌控其結構與尺寸。此種不同的金屬/氧化物複合奈米結構的成長機制亦會在此論文中提出。 針對量測出的金屬(金、銀)奈米晶體與金屬/氧化物複合奈米結構的表面電漿子共振特性，將會有系列性的探討與研究。此結果同時也展示出，可利用控制不同金屬的種類、成份、尺寸以及氧化物外殼的厚度，調變其表面電漿子共振特性。此外，以Mie theory為理論基礎的模擬，也會被用來計算金屬(金、銀)奈米晶體陣列的消散(包含吸收與散射)光譜。經過比較，實驗結果與模擬結果相當一致。顯示出此法對於金屬(金、銀)奈米晶體陣列的表面電漿子共振特性具有良好的控制能力。最後，我們也將製備出的金屬(金、銀)奈米晶體陣列做表面增強拉曼散射光譜的測試。結果顯示其具有良好的靈敏度與表面增強拉曼散射效應，可應用在未來利用表面增強拉曼散射特性的生物感測器上。 總結以上，此論文中發展出低價且方便的製程，製作出具有尺寸、材料組成調變性的大面積六角最密堆積金屬奈米單晶晶體陣列與金屬/氧化物複合奈米結構陣列。可藉由改變其幾何條件與結構，調控其表面電漿子共振特性。其展現的良好的表面電漿子共振特性與表面增強拉曼散射特性，可將之應用在表面增強拉曼散射型的生物感測器以及表面電漿子光電元件上。

• 學位論文

金球陣列鑲嵌矽基電漿子奈米天線之製備與波長選擇性光開關特性研究

在本論文中，我們以一種結合膠體粒子微影法與金屬催化化學蝕刻法的方式第一次成功的製備出具有金球陣列鑲嵌之矽基電漿子奈米天線，而這種製備方法具有容易且所需成本不昂貴的優點。金球陣列鑲嵌之矽基電漿子奈米天線主要是將金奈米晶體陣列以可調控的包埋深度鑲嵌進矽基板所構成，而且此奈米天線的光電流增益特性具有光波長選擇性。 在金球陣列鑲嵌之矽基電漿子奈米天線的製作過程中，金屬催化化學蝕刻法被用來調控金奈米晶體鑲嵌進矽基板的深度，藉此讓奈米天線展現出局部表面電漿子共振光響應特性與波長選擇性光電流增益特性。相較於一般電漿子奈米天線是將金奈米顆粒置於矽基板表面，金球陣列鑲嵌之矽基電漿子奈米天線的強近場增強效應會隨金奈米晶體陣列鑲嵌的深度增加而變強。除此之外，由於局部表面電漿子共振光響應特性容易因周圍環境的介電常數的不同而改變，所以藉著調整金奈米晶體陣列的鑲嵌深度，我們可以控制此奈米天線的光響應特性。 在此論文中，我們利用有限差分時域法來模擬奈米天線的近場分佈，藉此驗證此種奈米天線所具有的波長選擇性光電流增益特性是來自於金奈米晶體的局部表面電漿子共振所引發在其周圍的矽產生局部電場增益。同時論文實驗的結果中，奈米天線局部表面電漿子共振波長的最大值也相當符合模擬結果。 我們利用不同波段的雷射在暗場條件上進行各組奈米天線的波長選擇性光電流增益的測量。在多次雷射光開關循環下的再現性測試可以證明此類型奈米天線可做為光學開關元件。實驗結果顯示，當具有不同金奈米晶體陣列鑲嵌深度的多組奈米天線照射到符合其局部表面電漿子共振波長最大值的雷射光時，在小於200毫伏的偏壓下，具有波長選擇性的光電流增益可高達70 %。此外，實驗的趨勢也符合有限差分時域法的模擬，證明出金奈米晶體產生的局部電場增益增加周圍矽的光吸收能力，因此具有波長選擇性光電流增益特性。 最後，金球陣列鑲嵌之矽基電漿子奈米天線在局部表面電漿子共振光響應特性與具有波長選擇性光電流增益特性有很好的調控能力，這樣的特性可應用於低功耗奈米光學開關、奈米光電與光學通訊裝置上，此外，此奈米天線的製程也可以很容易的與現今矽半導體製程技術結合。

• 學位論文

用於終極互補式金氧半電晶體之 氮化鎵基板上之高介電係數單晶氧化釓閘極層與砷化鎵基反轉通道金氧半電晶體

由於砷化鎵基材料擁有很高的電子遷移率，目前使用高介電係數氧化層來製作三五族反轉通道金氧半電晶體受到很高的注目，以達到超越10奈米互補式金氧半電晶體的需求。其中最挑戰的議題之一，就是如何降低三五族電晶體的寄生電阻，在元件持續微縮下，接觸電阻將會是主導元件特性的關鍵。 藉由氧化鋁及氧化釓的雙層介電層，自我對準反轉通道砷化銦鎵金氧半電晶體已成功實現，於閘極長度4 μm的元件中，展示出最大汲極電流 9.5 μA/μm 以及最大轉移電導 3.9 μS/μm。這樣的元件特性能夠匹配使用原子層化學氣相沈積技術成長的氧化鋁介電層所製作的砷化鎵金氧半電晶體，無論是在砷化鎵 (001)或是砷化鎵 (111)A基板上。 除了三五族元件的製作和分析，非金的三五族歐姆接觸系統(Pd/Ge/Ti/Pt)同樣的也被研究。很低的接觸電阻約 1×10-7 Ω-cm2 被實現在高摻雜濃度的砷化銦鎵基板上，能夠被及時地利用在超越矽的互補式金氧半電晶體的製程中。此外，藉由原子層化學氣相沈積技術成長的氮化鈦，具有高溫穩定性(~ 900 ºC)的氮化鈦雙層金屬閘極層，也同時被實現，對於應用在未來自我對準反轉通道砷化銦鎵金氧半電晶體相當具有優勢。

• 學位論文

以蠶絲蛋白為介電層的TIPS Pentacene有機薄膜電晶體元件特性

本論文利用p型有機半導體分子6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene又簡稱TIPS pentacene作為主動層，搭配甲苯為TIPS pentacene的溶劑，並利用具有高介電常數(k=6.1)的蠶絲蛋白當作閘極介電層(gate dielectrics)，來製作溶液製程有機薄膜電晶體 (organic thin film transistor, OTFT)。利用一般的旋轉塗佈法，其載子遷移率約為4.4 x 10-3 cm2V-1s-1。 研究結果顯示，利用溶液製程刮刀塗佈法與基板50o C加熱溫度因大面積塗佈與溶劑揮發速率恰當可獲得最均勻的半導體薄膜，因施予一定溫度提供熱能有助於半導體成膜，若再搭配溫度梯度加熱成膜法，藉由溫度差異使溶劑揮發具方向性，可幫助TIPS pentacene分子方向性結晶排列，其中利用與載子通道平行的結晶方向加熱法可以有效地將其載子遷移率提升至0.30 cm2V-1s-1，將元件特性提升將近百倍以上，故可以得到最佳的有機薄膜電晶體元件特性。

• 學位論文

直接成長奈米碳管於軟性基板之生物感測器

本研究利用化學氣相沉積法 (chemical vapor deposition, CVD)，在400 °C之低溫下，直接成長奈米碳管於軟性基板 (聚醯亞胺, polyimide) 上製備生物感測器。接著在奈米碳管以外之區域，鍍上具有生物相容性之聚對二甲苯 (poly-para-xylylene, parylene)，當作絕緣層，以利於往後製成可撓式生物感測器進行體內量測之應用。而奈米碳管表面之改質，會先以紫外線臭氧處理，再以1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺 (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide, EDC) 與N-羥基丁二酰亞胺 (N-hydroxysuccinimide, NHS) 作表面改質，使奈米碳管能與蛋白質接合。接著，依序固定人類血清白蛋白抗體 (anti-human serum albumin, AHSA)、小牛血清蛋白 (BSA) 阻斷劑，最後接合不同濃度之人類血清白蛋白 (human serum albumin, HSA) 來進行檢測。 在電性量測方面，本研究是利用電化學阻抗譜 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS)，在交流電下，量測不同濃度之人類血清白蛋白並加以量化。結果顯示，在2 * 10^-12 mg/ml至2 * 10^-1 mg/ml之人類血清白蛋白濃度間生物感測器之阻抗變化與濃度有高度關聯性，並且此生物感測器之偵測極限可達3 * 10^-11 mg/ml。 本研究利用電化學阻抗式機制，用以定量檢測人類血清白蛋白之濃度，並成功地驗證了將奈米碳管直接成長於軟性基板上作為生物感測器之可行性。此外，藉由化學氣相沉積法的製程，以及直接成長之奈米碳管的3D結構，使感測器可以利用較簡單之方式製備，並且有較佳之偵測極限，使此軟性感測器在未來之應用有極大之潛力。