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大面積規則陣列銅銦鎵硒奈米結構太陽能電池

Large area CIGS nanotips array (CIGS NTs) are directly demonstrated by using one step ion milling with deice size over 10 cm2. By controlling the ion milling time and Ar+ incident angles, the length of CIGS NTs can be precisely controlled from 120 nm to 320 nm and the orientation can be adjusted from vertical to tilting angle of 15⁰ with density of nanotips over 4.5 × 1013/cm2. Transmission electron microcopy (TEM) results indicate that these nanotips are of single-crystal structure. The optical properties of the large area CIGS nanotips array (CIGS NTs) were measured by UV-NIR spectrometer, indicating that the reflectance of CIGS NTs is < 1 % at incident wavelengths from 300 nm to 1200 nm. Formation mechanism of these CIGS NTs had been discussed in terms of inhomogeneous concentration variation, crystal quality, and sputtering theories. Both light/dark I-V behavior and external quantum efficiency of these CIGS large area CIGS nanotips array (CIGS NTs) were measured. The results implied that with nanostructure the performance of CIGS NTs might be enhanced.

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單根氧化鋅奈米線一氧化氮氣體感測器製作與吸附動力學研究

本實驗以傳統光學微影技術，製作以單根氧化鋅奈米線為基礎的電阻式氣體感測元件，且架設一套氣體感測系統，並挑選四個具有不同奈米線線徑(半徑分別為75nm、83nm、兩根平行的80nm與60nm，以及220nm)的感測元件，進行一系列的一氧化氮氣體感測實驗，其感測氣體濃度範圍為從最低5ppm到最高25ppm。藉由即時偵測奈米線的電流於感測過程中的下降變化情況，來研究探討其一氧化氮氣體分子化學吸附在氧化鋅奈米線上的行為機制並推算出反應方程式中的重要參數，包含表面氧空缺濃度約為1011 cm-2、吸附速率常數為10-3~10-2 ppm-1 s-1，而脫附速率常數則皆為零值，其零值表示一氧化氮與氧化鋅奈米線的吸附反應在室溫下並無脫附作用的發生。因此，實驗中利用室光照射(約20秒)的方式，就成功將感測過的元件回復到初始的電流值，克服了在因吸附物無法從奈米線表面脫附，而導致元件無法再度使用的缺點。 從實驗結果中，觀察到對於同一根奈米線，當感測氣體濃度越高，則電流降到剩下初始值10 %所需的反應時間就越短，例如半徑為220nm的奈米線，對感測5ppm、15ppm與25ppm的一氧化氮氣體，其從初始電流1μA降到100nA所需的時間分別為50秒、27秒以及17秒，此表示氣體感測元件具有判別不同氣體濃度的能力。而對於感測相同濃度的一氧化氮氣體，觀察到有奈米線線徑越小，反應速度越快的趨勢，例如同為對5ppm作感測，其半徑75nm僅僅只需要4秒電流就降到初始值的10%，而對半徑220nm的奈米線則需要50秒。另外，讓元件做快速的連續氣體感測循環，發現其對相同氣體濃度的反應極為一致，而對不同濃度的反應則有所改變，表示元件穩定性佳，靈敏度高。因此，此氣體感測器具有低成本簡單製程、室溫下可操作、高靈敏度、反應穩定，以及可回復性，對於實際氣體感測應用上有極大潛力。

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高熵合金Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5Mox在氯鹽環境中之電化學孔蝕研究

高熵合金是一種由五個以上主元素相混合所組成的多元合金。這類合金具有高度原子無序排列的特性，造成許多獨特的磁性、機械及電化學性質。先前的研究指出Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5 合金為單一 FCC固溶體結構、高硬度、耐高溫氧化及大氣腐蝕能力。另一方面，鉬 (Mo) 具有固溶強化、抗氯鹽孔蝕的作用，因此添加Mo於高熵合金內。本研究利用動態極化試驗於室溫及稍高的水溶液，評估不同Mo成分莫耳比的高熵合金Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5Mox (x = 0, 0.1, 0.2, 0.5, 0.8) 之腐蝕行為。 首先評估Mo的添加對Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5Mox合金分別在酸性、鹼性和中性環境下的腐蝕阻抗影響(25 ℃)。由極化曲線清楚顯示在氫氧化鈉及硫酸溶液中，隨著Mo含量的增加，高熵合金的抗均勻腐蝕能力隨之下降；另一方面，由循環極化掃瞄及SEM表面腐蝕型態結果得知在Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5 合金中添加Mo有助於提升孔蝕阻抗。 接著探討Mo含量對Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5Mox合金在氯鹽水溶液中(由25 ℃升至80 ℃)的孔蝕行為。結果顯示Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5 合金分別在0.001、0.01、0.1 與1 M 氯化鈉之臨界孔蝕溫度為80 ℃、 50 ℃、30 ℃及低於 25 ℃。合金的孔蝕電位隨著氯鹽濃度上升而下降、臨界孔蝕溫度隨著Mo含量的增加而上升。 最後評估無機/有機腐蝕抑制劑添加於氯鹽中對Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5Mo0.1 合金的孔蝕電位及臨界孔蝕溫度影響。結果顯示該合金分別在0.1、0.5和 1 M 氯化鈉之臨界孔蝕溫度為70 ℃、60 ℃和60 ℃; 孔蝕電位與氯鹽濃度成線性關係。當硫酸鹽與氯鹽比超過0.5，硫酸鹽對合金孔蝕電位及臨界孔蝕溫度有正面效應。孔蝕抑制能力依序為硝酸鹽≒苯甲酸鹽＞醋酸鹽≒過氯酸鹽＞草酸鹽＞鉬酸鹽。

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微奈米結構與材料在奈米科技之應用

本文將對應力不穩定(stress instability)之應用、破裂導致微結構(fracture-induced structuring，FIS)之殘留表面應力、薄膜/基材系統之殘留應力、加馬射線材料改質與其退火動力學及破裂導致微結構之機制，進行一系列之奈米科技相關研究探討。 首先以應力不穩定方式在PDMS(polydimethylsiloxane)基材上製作金薄膜之週期性波紋(wrinkling)微結構，由於該Au/PDMS波紋表面上同時具有裂縫與類差排之缺陷，故得以破裂力學理論研究裂縫在Au/PDMS波紋表面之傳播受類差排的影響。結果顯示裂縫與類差排間的交互作用是由類差排所產生的內部應力場所造成，我們並以冪次法則求得裂縫傳播速度與交互作用所產生的裂縫擴展力之間的經驗關係式。證實該方式可做為差排理論與破裂理論之實驗佐證的應用。 第二部份中先初步探討破裂導致微結構之微奈米結構成型現象，再進一步以表面應力理論(surface stress theory)推導分析，推導出表觀(apparent)表面應力、微結構空間週期與薄膜膜厚之間關係的解析解，分析殘留表面壓應力對此一高分子薄膜表面形貌演化的影響。並將破裂導致微結構的實驗數據帶入理論之解析解，計算表觀表面應力與膜厚之間的相關性；其結果顯示表觀表面應力的大小隨著膜厚的縮減而下降，最後當膜厚趨近於零時，表觀表面應力將達到定值。若將表觀表面應力之值與高分子薄膜表面能進行比較，發現表面能之值是相對上很小的，顯見高分子薄膜表面能並非影響高分子薄膜在破裂導致微結構中形成表面形貌演化的影響因素。 再來由於薄膜/基材系統中的殘留應力在奈米技術中亦是相當重要的，故我們用微機電系統(microelectromechanical，MEMS)加工方式製作氮化矽(silicon nitride，SiNx)微懸臂梁(microcantilever)，然後在兩種不同溫度中以蒸鍍方式鍍上微奈米尺度膜厚之鋁薄膜後，以曲率量測的方式研究鋁/氮化矽(Al/SiNx)之薄膜/基材系統的殘留應力。發現室溫鍍鋁之微懸臂梁因鋁薄膜中的殘留壓應力而向氮化矽基材方向偏折；而105°C鍍鋁之微懸臂梁則會在薄膜對基材厚度比大於等於0.31時，在鋁薄膜中產生殘留張應力使得微懸臂梁向鋁薄膜方向偏折。其它力學上的特性如中性軸與彎曲軸也有一併探討。 材料改質的研究則是以照射加馬射線(gamma-ray)來進行。我們使用電子順磁共振光譜(electron paramagnetic resonance，EPR)研究不同的加馬射線劑量照射後，對排聚苯乙烯(syndiotactic polystyrene，sPS)之自由基的形成與溫度相依的退火衰退機制。EPR光譜分析顯示sPS經加馬射線照射後有三種自由基形成，分別為三級苯基自由基(tertiary benzyl radical)、苯自由基(phenyl radical)與碳超氧自由基(carbon-superoxide-centered radical)；且此三種自由基皆遵循一階退火動力學機制，並以動力學理論分析計算這三種自由基之活化能。 最後我們研究破裂導致微結構之條紋(grating)週期性微結構的破裂機制，實驗證實高分子薄膜上條紋週期性微結構之破裂方向遵循由外加分離負載(separating-load)所產生的平面最大剪應力的方向；並探討局部應力與其變動對條紋週期性微結構的空間週期與方向之影響。本部份亦探討破裂導致微結構之破裂成型特性，例如經加馬射線進行材料改質後之效應。並經由適當的分離負載之型式與高分子型狀/邊界條件之設計，以破裂導致不穩定方式製做出四分之ㄧ同心圓形條紋週期性微結構；證實本研究已可操控破裂導致微結構在高分子薄膜上的方向。期望破裂導致微結構得以更廣泛的應用在奈米科技。