清華大學材料科學工程學系學位論文
國立清華大學,正常發行
選擇卷期
已選擇0筆
- 學位論文
以五元主要元素以上設計的新合金-高熵合金，已漸受國內外矚目。基此理念，美國空軍實驗室在2010年開發以耐火金屬元素所組成之耐火高熵合金，並證實耐火高熵合金WNbMoTa及WNbVMoTa於高溫下之強度優於鎳基超合金，至1600ºC仍有400 MPa的強度，但兩合金在室溫下為脆性斷裂。接著，他們以較輕的Ti、Zr替換W、Mo，製備出HfNbTaTiZr合金，此合金在室溫下壓縮延性大於50%以上，但其高溫軟化較快。 雖然HfNbTaTiZr密度較輕且具極佳的室溫延性，但卻有耐火元素先天抗氧化性不佳的缺點，而限制其高溫的應用性。先前實驗室研究在耐火高熵合金中添加鋁來增加抗氧化能力，在AlxHfNbTaTiZr耐火高熵合金系統中，Al0.5HfNbTaTiZr不論在機械性質或抗氧化性質都有不錯的表現。因此本研究以此合金為基礎，設計不同耐火高熵合金系統以及添加變量的Si作為實驗合金，探討Si的添加對此耐火高熵合金微結構、機械性質及抗氧化性之影響。 研究結果發現不同耐火高熵合金系統以及不同Si添加量的合金其晶體結構皆為簡單 BCC固溶相，而隨著Si含量的增加，矽化物的峰值開始出現。微結構為典型的樹枝狀結構，但隨著Si的添加樹枝間相有更多的共晶矽化物形成。合金經過1400ºC均質化12小時後，未添加Si的合金可以完全消除偏析的樹枝狀結構，但添加Si的合金均質化無法消除共晶矽化物，整體來說均質化後合金由於部分強鍵結元素固溶回基地相而使硬度有所提升。在高溫抗氧化方面，在1100ºC以及1300ºC氧化試驗結果都顯示隨著Si含量的增加，抗氧化能力有明顯的提升，但1300ºC高溫下無法形成較緻密氧化層，氧化速率甚快。均質化處理對合金抗氧化能力並沒有明顯提升作用，其氧化機制與鑄造態相似。在壓縮試驗方面，隨著Si的添加合金在室溫下的強度有所提升，但延性相對減少。而700~1100ºC整體強度亦有所提升，且抗軟化能力增加。整體而言，添加適量的Si進入合金中在密度、室溫及高溫強度、延性及抗高溫氧化的能力有最佳的綜合表現。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
本實驗使用反應式濺鍍(reactive sputtering)，以金屬銀為靶材，將氧氣與氬氣混合通入腔體，成功濺鍍出Ag2O，所獲得的最佳參數為氧分壓25 %、基板溫度170 °C、濺鍍功率50 w及工作壓力5 mTorr。所獲得的氧化銀薄膜為多晶相，在(111)面上有優選結晶方向，能隙值為2.42 eV。 增加濺鍍時氧分壓比例，會使沉降出的薄膜其銀離子價數增加，從Ag(1+)、Ag(2+)到Ag(3+)，從XPS來看3d5/2的訊號峰值有逐漸下降的趨勢(367.6 eV→367.2 eV→366.8 eV)，XRD的分析也可以輔佐印證。氧分壓超過一極值後，會使”再濺鍍”的效應加強，導致薄膜品質下降；升高基板溫度，可以使薄膜中高價數銀離子之氧化物減少，歸因於這些氧化物在高溫的狀態下的熱穩定性不佳。 將Ag2O濺鍍至ZnO奈米柱體上，形成一核殼的異質結構。從能帶關係、吸收光譜與PL光譜可以印證，此異質結構為p-n型的半導體接合，能帶關係的改變可以減少載子對再複合的機率，同時也加強對太陽光的吸收效果。在光催化全光譜系統中，此異質結構對RhB染料的降解效果與純的ZnO奈米柱相比有較高的反應速率(Ka分別0.75 h-1與0.44 h-1)，單純照射可見光的部分此異質結構亦有降解效率(Ka=0.19)，可以確認Ag2O對此系統在光催化方面確實有所幫助。
- 學位論文
本論文利用原子沉積技術在n型矽基板鍍製HfO2薄膜，經不同氣氛下(氬氣、forming gas、氧氣)退火處理後，利用黃光製程定義電極圖形，再鍍覆鋁電極製作成MOS結構。接著進行高頻訊號的電容電壓量測以及低頻準穩態電容量測。研究高低頻電容電壓曲線不相符的原因並予以校正，最後，利用電容電壓曲線，計算介面能態密度與氧化層固定電荷等資訊，研究結果顯示氧化層固定電荷經退火過後由正電轉為負電，而介面能態密度約減為未退火試片的1/3。同時利用PCD方法量測載子生命週期，但電容電壓量測和PCD兩者結果並未符合。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
本實驗以在銀基材中添加少量鈦的方式改善鑽石與銀的界面潤濕性和接合性，並以水平爐管液相燒結製備鑽石銀基複合材料。實驗中探討鈦添加量、燒結溫度與時間、鑽石體積分率對複材熱性質的影響，所得鑽石銀基複材的熱傳導係數可達953 W/m·K，為銀熱傳導係數的兩倍以上，熱膨脹係數則在5.8-8.5 ppm/K之間，可藉由調整鑽石體積分率控制。此外，鑽石銀基複材經30次RT ↔ 400 °C熱循環後，熱傳導係數仍可達800 W/m·K；而經1000次RT ↔ 80 °C熱循環後，複材的熱傳導係數則沒有明顯的變化；可知鑽石銀基複材可承受比焊接過程更嚴苛的溫度變化，在電子產品長期使用後也能保有優異的熱性質。 本實驗以水平爐管液相燒結製備鈦添加鑽石銀基複材，因屬於無壓製程，無模具耗損問題，成本較低且製程簡單，其所製備之複材具有優異的熱性質和耐熱循環表現，在電子構裝的應用上有很好的發展潛力。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
本論文以雙電子槍蒸鍍系統製備p-GaN的反射式歐姆電極AgPd(10 at%)、AgPd(4 at%)、AgPd(2 at%)、AgIn(9 at%)、AgIn(2 at%)及In(2 nm)/Ag(160 nm)等六組試片，探討不同合金成分的添加以及爐管退火(FA)與快速退火(RTA)兩種退火方式，對於AgPd及AgIn合金反射式歐姆電極光電特性的影響。探討內容包含反射式歐姆電極的光反射率、金屬薄膜片電阻與特徵接觸電阻，以及各性質之熱穩定性。並使用掃描式電子顯微鏡觀察試片表面樣貌，分析不同合金成分的特性差異及合金對於抑制退火後Ag薄膜凝聚的效果。我們發現In(2 nm)/Ag即可抑制Ag薄膜的高溫退火凝聚，添加In的AgIn合金退火後也不會有凝聚而破孔之現象，光反射率下降幅度甚小。但是Pd添加的量少於2個原子百分比時，經過500℃爐管退火後Ag膜局部破孔，光反射率下降較明顯，時效退火後的片電阻也略微增大，如改用快速退火則不會有此現象。其餘的AgPd、AgIn合金及層狀In/Ag薄膜經爐管退火或快速退火，且400℃時效退火1小時後反射率變化不大，金屬薄膜片電阻與特徵接觸電阻數值亦大致無顯著變化。使用Ag當基材的合金薄膜可增進熱穩定性。綜合考量光反射率、金屬薄膜片電阻、特徵接觸電阻與熱穩定性，AgIn(2 at%)合金有相當優異的表現，而In的厚度為2 nm時即可有效抑制Ag薄膜凝聚之結果。以製作p-GaN覆晶式LED電極之應用觀點來看，AgIn(2 at%)合金在石英爐管內，於大氣環境下進行500℃退火5分鐘後，可以於460 nm具有92%的光反射率，金屬薄膜片電阻約為0.33 Ω/□，特徵接觸電阻約為9.7 × 10-3 Ω-cm2，時效退火後更降低至3 × 10-3 Ω-cm2，為具備良好熱穩定性的歐姆電極。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
自2004年從高定向熱裂解石墨中首度分離出單層的石墨烯以來，二維材料的穩定存在已被實驗所證實。由於其獨特的二維晶體結構，石墨烯表現出諸多與傳統三維材料相異的優異物理性質，如極高的載子遷移率、光耦合強度及導熱性等，因此被許多國家及產業視為是次世代光電子元件的重點材料發展項目之一，如何合成出高品質石墨烯也成為元件上游的關鍵技術。其中，以銅與鎳等固態金屬催化劑的化學氣相沉積法因可合成出單、多層大面積且高品質的石墨烯連續薄膜，最為被廣泛研究。經由適當的製程調整，不同品質需求的石墨烯可以磊晶/析出於銅/鎳金屬層上方。然而，為了製作成以石墨烯為主要做動層的各種光電子元件，需要一個額外的轉移製程將石墨烯轉移至氧化物基板上，以迴避石墨烯與底層金屬的並聯電路效應。不幸的是，此一轉移製程將會創造大量各種缺陷，大幅地降低石墨烯的品質；此外，轉移過程繁雜且不易控制，大幅的增加製程的難易度且直接地影響元件良率。因此，如何開發將石墨烯直接成長於氧化物基板上的製程，將成為本論文的研究重點。 本論文分兩個研究重點，其一為利用微波直接加熱析出成長石墨烯與高度結晶化之石墨；另一則為利用氣相鎳輔助催化沉積石墨烯於氧化物基板之技術開發。由於材料對微波吸收選擇性的差異，微波源所挾帶的電磁能可以有效地集中在欲加熱的區域並達到快速升降溫的特性，在此研究中我們以具強偶極性的碳化矽作為微波吸收源加熱預先蒸鍍的無序碳/鎳/氧化矽基板的試片，使鎳層在高溫時固溶碳原子，並於冷卻過程中析出石墨烯。值得一提的是，由於無序碳對鎳層的還原效應的貢獻，與氧氣的氧化作用達到平衡，鎳層將可保留其金屬特性，因此系統能在常壓下製備石墨烯。此外，氧化鎳層與金屬鎳層的體積來回劇烈變化，將可迫使鎳表面的無序碳持續不斷的被導入鎳層之中，並於鎳層與基板間析出具有高度結晶特性的石墨層，其轉換率更可高達約80%。 在氣相鎳輔助催化沉積石墨烯製程技術方面，我們利用鎳蒸氣對甲烷的催化效應，使之解離成碳原子，並自組裝成具穩定相的六連環結構後沉積於氧化物基板上，形成大面積的連續石墨烯薄膜。以此沉積方式得到的石墨烯薄膜，可以透過改變沉積時間線性的改變石墨烯厚度，且由於氣相系統的均勻性，石墨烯能均勻的附著在具有高縱深比奈米結構的矽奈米柱陣列的表面，表現出不具有空間依賴的特性。我們也以場發射元件測試了此石墨烯/矽奈米柱陣列複合結構在高放射電流密度下的操作，間接佐證以此方式製備的石墨烯結構的高度穩定性。仰賴此製程的自組裝過程，硼蒸氣的引入也可以有效的對石墨烯做出具有化學鍵生成的取代性摻雜，且其摻雜濃度能藉由調控石墨烯的沉積速率而調整，並得到相對應不同的功函數特性，可望用以做為光電元件中具有功函數調控匹配特性的透明電極。
- 學位論文
本實驗是以氧化鋅奈米線為基礎，利用光還原法將氧化鋅奈米線進行改質，使銅氧化物修飾氧化鋅奈米線，主要目的為增強氧化鋅奈米線光觸媒效率。氧化鋅奈米線是以高溫爐管搭配氣-固成長機制成長而成，再使用光還原法與退火處理，在氧化鋅奈米線表面產生銅氧化物奈米顆粒，此外直徑較細的氧化鋅奈米線還發生了糾結彎曲的現象。 利用掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscopy, SEM) 與穿透式電子顯微鏡 (transmission electron microscopy, TEM) 分析改質前後奈米線的結構，螢光光譜分析奈米線放光情形，透過螢光光譜可看出改質後氧化鋅奈米線的紫外放光波段放光強度下降，顯示出氧化亞銅的修飾可以抑制氧化鋅奈米線電子電洞再復合率。 以氧化鋅奈米線做為光觸媒進行分解羅丹明B (rhodamine B)的光催化實驗，在分解過程中，羅丹明B剩餘濃度低於10 μM，分解速率產生轉變，速率由零階轉為一階。以紫外燈做為光觸媒激發光源，未改質與改質後奈米線光觸媒零階反應常數分別為0.14 μM/min與0.41 μM/min，光觸媒效率提升1.93倍。再以功率100 W的鹵素燈做為光觸媒激發光源，未改質與改質後奈米線光觸媒零階反應常數分別為0.025 μM/min與0.22 μM/min，光觸媒效率提升7.84倍，改質後的氧化鋅奈米線光觸媒效率更加大幅提升。因此我們成功的使用光還原法使銅氧化物修飾氧化鋅奈米線，改質後的氧化鋅奈米線可應用於紫外燈與鹵素燈做為光源的光觸媒催化反應，大幅提升光觸媒效率。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
金奈米結構其區域表面電漿共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)特性伴隨顯著的吸收和散射現象以及區域電場能量增強、且化學穩定性佳，被廣泛運用於生物和化學感測。對於較複雜的區域電漿共振情況，結構的對稱性改變或是基板的存在是至關重要的影響因素，為了討論該因素研究文獻多以複雜的製程方法製作具對稱性衰退的奈米結構。 本實驗以不同的製程方法製備三種於介電質基板表面的金奈米結構：金奈米粒子、單根金奈米線和金奈米薄膜邊界結構，藉由暗視野顯微術觀察散射光譜，並以有限差分時域法(finite-difference time-domain, FDTD)模擬分析受基板調節的電漿模態。 高對稱性的金奈米粒子於基板表面可觀察到其電漿模態具不同程度的紅位移和多模態之間耦合，並於光譜中觀察到四極共振模態。由於金奈米粒子其電漿共振模態較為單純，可作為各種模態耦合的基礎原理。 對於以原子力顯微微影法(AFM lithography)製備的一維單根金奈米線其電漿共振模態主要的是由於基板調節的影響：其紅光散射波峰(621 nm)是由不同電場偏振激發的偶極模態耦合、並受基板誘發耦合後的結果，而位於藍綠光的共振波峰(485 nm)則與奈米線高度有關。此外，靠近基板之結構的些微變化即可導致不可忽略的模態位移，證明討論基板調節對其電漿共振特性影響的重要性。 於靠近金奈米薄膜邊界結構的基板表面產生誘發電荷，使得其電漿共振特性徹底改變。具有相似基板誘發電場的兩個模態疊加後形成主要的紅光散射波峰(645 nm)，而其他較明顯的散射波峰(588和507 nm)則是分別由結構的垂直邊緣和底部邊緣受基板調節所產生的共振波峰。當奈米結構與介電質基板的接觸面積越大時，基板調節現象對於結構表面電漿特性的影響越顯著。
- 學位論文
本實驗研究硫醇分子於單一金奈米線在液體中的光致吸附及脫附現象，先以原子力顯微術奈米微影及傳統黃光微影，製作電阻式單一奈米線化學感測器。硫醇分子和金原子會產生鍵結，其硫金鍵屬強鍵結，需使用低波長光源才能打斷。實驗以波長254奈米紫外光來促使硫金鍵氧化而斷鍵。 為了進行吸脫附研究，把製作完成的單根金奈米線放入十二烷硫醇溶液使其吸附硫醇分子達飽和。感測實驗在溶液中進行，在金奈米線的電阻達穩定後照射紫外光。照射紫外光會使其電流上升，關閉紫外光會使電流下降至原始值，其前後變化量會隨奈米線厚度減小而增加，由數據可知厚度為15奈米的奈米線，變化量可達80%，其大於厚度20奈米的34.8%。 從電流對時間關係圖觀察到電流上升和下降的過程有不同，此現象可用吸脫附機制來解釋。在電流上升有兩現象，一為快速上升達穩定，另一需要較長時間才達穩定，原因是光子的入射不一定皆能使基材電子被激發而穿隧到吸附分子軌域而斷鍵；在電流下降部分可看到有突然下降及先驟降後再緩慢下降兩現象，推測是硫醇分子脫附時存在電中性型式及離子型式，使硫醇分子與金重新鍵結過程中，因離子型式脫附分子與金表面有作用力存在而影響電流下降。 最後也在空氣中作紫外光對鋪有硫醇分子奈米線的電阻影響，可觀察到電阻沒有改變，和在溶液中明顯不同，其原因推測和介質的存在及吸附分子脫附時的型態有關，介質可以帶離完全脫附的分子，也可以使離子型式脫附分子和基材表面間的距離增加，此使得脫附分子更不會影響奈米線電阻的變化。