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以綠色化學技術開發低維度氧化鋅奈米材料製備及超臨界二氧化碳清洗反應性離子蝕刻後殘餘物之方法

隨著資源的日漸短缺，工業生產逐漸將環境保護與資源使用效率視為永續發展的核心概念之一。除了傳統的廢棄-回收的簡單低效率技術外，綠色化學更進一步將概念擴展至將能源、物質與時間等資源的高使用/轉換效率，視為減少對環境衝擊的根本方法。因此近年來無論產官學界均逐漸將綠色化學的概念導入各種生產研發過程。 本論文著重於以綠色化學角度開發氧化鋅奈米結構材料，及超臨界二氧化碳流體進行晶圓表面光阻殘餘物的清洗技術等兩部份。首先開發熱裂解法製備出高均勻度氧化鋅奈米粒子（第二章），並利用此高均勻度的氧化鋅奈米粒子進行晶種媒介法而得到高長寬比的氧化鋅奈米柱（第三章）。由於製備過程避免使用多重溶劑，且利用材料本身的特性達到有效控制奈米結構的成果。因此這些技術可以進一步應用於其他類似晶體特性的材料。 第二部份則針對改善高耗水且容易釋放揮發性有機物的半導體清洗製程，由於氯氣電漿蝕刻後易導致光阻本身變質，而在後續的乾式去光阻製程發現移除不完全的現象。本研究即致力於導入超臨界二氧化碳做為氧化降解試劑的分散載體，利用超臨界二氧化碳低表面張力的特性協助反應試劑傳輸至光阻殘餘物表面，並改善反應試劑於兩相間的傳輸效率（第四章）。本文亦提出助溶劑於超臨界二氧化碳中形成液滴的觀點，輔助反應試劑的傳送。並進一步利用蒙地卡羅法模擬液滴的成長與碎裂過程，觀察液滴與樣品表面的接觸效率。研究的結果初步指出助溶劑液滴的概念有助於解釋部份超臨界二氧化碳流體的萃取與反應行為。

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微波液相合成奈米碳球暨將碳材表面快速改質及其在甲醇燃料電池上應用

我們研發出一種新穎、簡單又經濟的液相製備奈米碳球和奈米碳球包覆金屬的方法。在甲苯裡加入一些銅絲在微波照射下便能產出奈米碳球,再加入一些金屬前驅物後便能產出碳包覆鐵之奈米粒子。這些產物的微觀結構可以利用高解析度電子顯微鏡來觀察研究。這些樣本的晶體結構可以利用選區電子繞射、粉末X光繞射和拉曼散射加以探索。碳包覆鐵奈米粒子的磁性可以利用超導量子干涉儀來量測。另外我們發現在被包覆在碳奈米膠囊內部的鐵在聚焦微波照射下與碳產生反應。我們研究這個反應並且提出一個合理機制來說明鐵和碳在非常微小尺寸侷限下的反應。這樣機制可以提供鐵催化劑如何催化生長奈米碳管的機制一些相關有用訊息。 本研究也發展出一種快速將奈米碳管表面官能基化的方法。經由超音波震盪和微波照射下促進自由基化聚合反應而快速將奈米碳管的表面官能基化。親油性(如聚乙烯苯和聚甲基丙烯酸甲酯)和親水性(如聚丙烯醯胺、聚丙烯酸和聚乙烯醇)的聚合物都可以利用此法在十分鐘內化學鍵結在奈米碳管表面。鍵結在奈米碳管的聚合物可以利用傅立葉紅外線光譜、熱分析儀、電子顯微鏡和電子能量損失光譜來加以分析。這些表面改質後的奈米碳管溶解度可以達到每升溶解1200~ 2800毫克程度。中空填充鐵的奈米碳管也可以利用此法官能基化。在填充金屬鐵的奈米碳管表面修飾聚丙烯酸在室溫下具有飽和磁力矩約每克40高斯和幾乎等於零高斯的磁滯力。 而我們發展奈米碳管官能基化的方法也可以應用在不同碳材上當作直接甲醇燃料電池( Direct Methanol Fuel cell, DMFC)的陰極支撐物。在本論文不同碳材表面均勻地被修飾成聚乙烯引朵(Poly vinyl pyrrolione, PVP)當作甲醇燃料電池催化劑的支撐物。修飾在碳材上的聚合物利用紅外線光譜、熱分析儀和拉曼散射加以證實。高解析電子顯微鏡、粉末繞射和X光光電子能譜顯示這些微小尺寸和很窄尺寸分佈(1-2 nm)的鉑催化劑均勻分佈在修飾聚乙烯引朵(PVP)的碳材表面上。在本論文我們也研究在不同碳材上修飾聚乙烯引朵(PVP)和強酸氧化方式在甲醇燃料電池上效能的影響。我們發現鉑沉積在修飾聚乙烯引朵(PVP)的脊狀奈米碳纖維在甲醇燃料電池上展現最好的效能,幾乎是強酸氧化的脊狀奈米碳纖維的四倍以及活性碳的三倍。我們預計這個方法將可以廣泛應用在不同碳材當作催化劑支撐物應用在甲醇燃料電池上。 另外在本論文裡不同種類的以表面官能基化奈米碳管為基材的複合材料(例如: 金/奈米碳管, 鉛/奈米碳管, 硫化鋅/奈米碳管和硫化鎘/奈米碳管等複合材料)都可以經由簡單室溫化學反應成功被製備。這個方法預期是一般性製備各種以奈米碳管為基材的複合材料方式。