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
交換偏壓(exchange bias)是一種發生在界面的磁性現象。當鐵磁和反鐵磁材料形成的雙層膜在高於反鐵磁層的尼爾溫度(Néel temperature)進行場冷後，這兩個材料會在界面進行磁耦合。因此，鎳鐵/氧化鎳雙層膜可以發生磁耦合並產生交換偏壓。這樣的現象和界面的原子磁矩有關。然而，實驗上很難觀測試片中各個原子的磁矩方向，而要在鎳鐵/氧化鎳這樣的多晶薄膜去解析原子的排列更為艱困，因此我們透過理論模擬計算的方式，企圖將NiFe/NiO系統在界面發生交換偏壓之各原子的磁化方向模擬出來，並與該雙層膜長在MgO單晶基板上的實驗結果比較。根據隨機場模型(Random field model)，可由外加磁場改變方向前後的界面能量，再配合鐵磁層的厚度和磁化量，來計算交換偏壓，並將模擬計算的結果與實驗值(感謝加拿大prof. Johan van Lierop提供數據)以及高解析度電子顯微鏡影像(HRTEM)的結果進行比較，可以得到比較合理的原子磁矩排列。由VASP的模擬結果得到界面無粗糙度和兩種粗糙度(2.20Å和4.43Å)的交換偏壓分別為3.08±4.59(Oe)、-24.27±3.13(Oe)和-195.53±10.88(Oe)，而另一組外加場方向得到的結果分別為0.00±3.88(Oe)、-4.17±1.96(Oe)和-11.02±3.12(Oe)。模擬計算結果顯示，界面粗糙度可以強化交換偏壓，這與實驗的結果符合。因此，我們可以推測，當界面粗糙度存在的情況下，原子磁矩的排列方式應與真實情形較為接近，如同高解析度電子顯微鏡所示。隨後，我們也針對界面附近的差排對交換偏壓的影響進行模擬計算。當差排加入粗糙度為2.20Å結構界面的NiO時，交換偏壓從-24.27±3.13(Oe)提升為-143.46±4.37(Oe)，在另一組外加磁場方向下則從-4.17±1.96(Oe)增為-82.30±7.29(Oe)；當差排加入粗糙度為2.20Å結構界面的Ni3Fe時，交換偏壓從-24.27±3.13(Oe)變為-23.42±2.71(Oe)，另一組外加磁場方向則從-4.17±1.96(Oe)變為-6.29±2.09(Oe)。顯示出在界面的NiO差排可以提升交換偏壓。最後，我們研究各種粗糙度和差排對未補償自旋數目的影響，發現粗糙度提升會使界面的未補償自旋密度增加，且界面的NiO差排亦能增加未補償自旋密度，而Ni3Fe的差排則對此沒有影響。基本上，交換偏壓是一個鐵磁自旋與反鐵磁自旋在界面的交互作用，所以任何對於界面自旋排列的改變(如反鐵磁在界面的為抵消自旋數量，以及鐵磁和反鐵磁自旋的相對方向)都會影響最終的交換耦合。因此，我們可以合理地推論，界面粗糙度是藉由提升缺陷產生的未抵消自旋，來強化介面交換耦合。這與最近蒙地卡羅(Monte Carlo)的模擬計算結果相符(J. Spray and U. Nowak, J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 4536)。
- 學位論文
近幾代超合金之耐溫度已藉由提升晶格係數差異強化γ/γ'介面得以有效提升，此外合金表面也透過選擇性氧化設計得到適當保護。然而，第五代以及第六代超合金中所含的錸及釕等貴重元素限制了其工業應用性。本研究針對傳統第一代超合金利用前所提及之概念提升其晶格係數差異以及選擇性氧化設計以開發新型含矽方向鑄造超合金(KC-5)，期望能提高合金性價比。本論文探討了合金KC-5的抗高溫潛變性質以及氧化表現。相較於CM247LC，KC-5的 γ' 因合金含有較高含量的鈦和鉬而擁有較高的百分比以及方正的形貌。添加鈦、鉬及矽對於合金元素分配係數之影響透過應變時效方法搭配EPMA來解析，並利用高溫XRD分析各合金晶格係數差異之程度。實驗結果顯示合金KC-5展現出較大的晶格係數差異，如此可促成筏排化結構並有效降低潛變應變速率。此外，KC-5經由一小時高溫氧化測試後可觀察到連續的氧化鋁層；但該合金降低了熱處裡窗口以及相穩定性。
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
WC/Co超硬合金因擁有優秀硬度及耐磨性質，故廣泛應用於切削和鑽孔工具上，取代傳統高速鋼。 近年來為提升整體機械性質，除調配成分組成，亦著重製備奈米等級的WC粉末，製備方式可分為物理及化學法，常見的物理法為高能球磨法，有噪音汙染及耗能耗時等缺點；化學合成法雖可產生尺度更小粉末，但造成的環境汙染較嚴重，去年林敬翰學長所新開發的物理法「雙盤研磨法」來製作粉末，基本原理為利用雙磨盤施以一定壓力，使粉末產生碾磨細化的效果，結果發現此法確實可有效的細化粉末，但仍然有大顆粒混雜於細粉末的缺點。本研究針對此一缺點，對操作參數進行改良，即對漿料施予壓力，結果發現可避免先前洩壓操作的缺點。並探討各研磨參數對漿料研磨效果的影響。 本研究為提升粉末細化效果，針對機台結構做改善，結果發現第二代雙盤研磨機擁有較佳細化效果。最後，本研究針對此細化粉末進行傳統燒結，所得塊材擁有高硬度為1725 (HV30)，K1c為9.6 MNm^((-3)/2)，WC晶粒大小為0.883 μm，此值優於文獻硬度-K1c帶狀分佈曲線的上限，顯示第二代雙盤研磨機的成效。
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
CoCrFeMnNi等莫耳比高熵合金，由低溫至高溫皆呈現單一FCC相，在此FCC晶格中共有五種不同原子構成五元固溶體，因此非常適合研究高熵合金差排與大量固溶原子的交互作用。為了比較元素個數的影響，本研究同時設計Ni、CoNi、CoFeNi、及CoCrFeNi一元至四元等莫耳比FCC合金進行相同實驗加以比較。 Ni至CoCrFeMnNi五個合金的均質化試片，經過50%、70%及90%的冷輥軋後，微結構觀察發現軋延加工量上升，滑移帶逐漸粗大，且隨著元素個數的增加，滑移帶由波浪狀轉變為平行狀。另外本研究使用X-ray分析法量測，發現疊差能呈下降的趨勢，Ni金屬的疊差能為108 mJ/m2而CoCrFeMnNi合金的疊差能僅6.2 mJ/m2。此一演變使交叉滑移困難，可解釋滑移帶的演變趨勢。 由室溫拉伸曲線的比較，發現降伏強度及伸長率皆隨著元素的添加而提升，顯示在多元效應下，兩項性質皆同時提升，說明高熵固溶強化的優點。此外，在-155 oC的拉伸實驗中，五元合金的強度不但為室溫的2.02倍，且延性卻增加為1.23倍，而Ni金屬的低溫延性卻略為下降，因此FCC高熵合金與傳統FCC金屬對低溫的反應顯然不一樣，本研究認為低疊差能的CoCrFeMnNi合金容易以奈米雙晶變形，且愈低溫欲發達，晶粒的奈米化不但使強度上升且延性也大幅提升。 由300-700 oC高溫拉伸曲線的比較，發現愈多元有愈明顯的鋸齒狀現象，亦即動態應變時效 (dynamic strain aging 簡稱DSA)。一元和二元合金沒有DSA現象；而三元、四元及五元合金在高溫皆有DSA現象。以五元高熵合金為例，300 oC拉伸曲線在高應變區才開始出現DSA，500 oC DSA現象最大，但650 oC下DSA消失。相較於傳統碳鋼，碳原子在300-600 oC間即具有高移動力，足以追趕移動差排而產生DSA現象；然而五元高熵合金的原子皆為置換型，以本實驗室蔡坤佑學長所量的擴散係數來計算，要得到DSA現象，溫度應高達900-1100 oC。針對此，本研究認為差排在多元原子的晶格中，滑移到任一個位置皆同時遭遇許多固溶原子的牽絆，此固溶原子並不需要如碳原子般的擴散追趕，只要當下熱振動 (in-situ)進行小於一個原子距離的移動，即可使差排能量下降，而增加差排再前進的阻力，因而使得DSA現象發生；由於三元等莫耳比合金即開始發生DSA現象，說明此一機制在三元等莫耳比合金即能運作。此外，DSA現象在更高的溫度之所以消失，可歸因於原子的熱振動太大，使現場牽絆 (in- situ pinning)機制變得不明顯。 此外，本研究首次利用中子繞射對高熵合金作分析，發現其表現行為與傳統合金不一樣。高熵合金的彈性係數比平均法則來的小，且對溫度不太敏感。原因來自於晶格扭曲導致原子不在一直線上，使得施加應力後，系統感受的力較小，且因為高溫熱振動必須先抵銷晶格應變，使得彈性係數對溫度不敏感。 最後，本研究對於高熵合金的物理性質做了探討，發現高溫電阻、高溫XRD以及熱傳導係數量測實驗中，皆發現晶格扭曲效應主導了物理性質，導致在一定的溫度區間，對溫度不敏感。
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
本論文探討共軛高分子MEH-PPV /PS混合薄膜於室溫經溶劑退火後薄膜之機械穩定度與螢光性質之改變。MEH-PPV濃度(c)為5％時薄膜將進行除潤過程，此時因分子剪切流變造成高分子間、高分子與基材間劇烈拉扯，抑制電子聲子交互作用而在殘留薄膜產生10倍螢光增益。除潤時螢光光譜先出現藍位移再紅位移，表示除潤過程中高分子的共軛結構不斷改變。使用貧溶劑除潤後初期暫態藍位移量明顯下降，此外用高分子量PS進行除潤藍位移量上昇，以上觀察皆表示於除潤溶劑與高分子間在分子尺度因溶解度、分子交纏之差異改變除潤後MEH-PPV之共軛結構。經溶劑退火後，溶劑分子擴散進入薄膜中並累積在基材之上，造成薄膜底層密度異常鬆散，之後薄膜之機械不穩定行為依靠此鬆散層運動。 c為1%時進行溶劑除潤，分子流變能有效作用在各個MEH-PPV分子，產生螢光光譜約30 nm的藍位移。然而當c為25%之共軛高分子薄膜經溶劑退火後，因MEH-PPV分子間形成有效的交聯網絡阻止除潤進行，表面只會出現些微起伏來降低系統自由能。此時因為MEH-PPV分子間作用提昇使得螢光光譜紅位移及螢光效率降低。溶劑退火後的共軛高分子薄膜經長時間時效觀察，發現薄膜出現約50 nm起伏之皺折結構，同時伴隨光譜藍位移。
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
為因應世界能源短缺，可重複使用、乾淨的能源為下一世代考量的重點。 CIGS為第二代薄膜太陽能電池，具有高吸收係數、能源回收期短短、成本低廉及高穩定性等競爭優勢。瑞士EMPA研究機構已發展出效率20.4%之高效率CIGS太陽能電池，其未來應用於市場之潛力十分龐大。 氫氣用於太陽能電池上早有文獻出現，有研究指出氫氣在a-Si太陽能電池上可增加其表現，在CIS上也被認為藉由離子佈質方式通入氫有助於改善PN接面或在非真空CIGS合成上應用，首先為製程上的方便及迅捷，如何能在不額外增加製程步驟及額外增加製程時間的前提下使氫氣直接與CIGS反應並提升效率，以及利用硒化製程做出共蒸鍍法才有的雙梯度能隙及增加鈉效應現象為此篇研究的重點。合金後硒化製程為大面積量產CIGS的主要方法，在硒化時氫氣及氮氣依比例運載硒蒸氣進入腔體與CIG前驅物進行硒化反應。氫氣及氮氣的比例控制在0%、5%、15%及25%，並依照標準製程完成電池。 效率顯示0%氫氣之效率最低，隨著氫氣比例的增加，在5%~15%時效率、填滿因子及開路電壓均可達到最佳的數值，但隨著氫氣超過15%，效率會隨之下降。材料分析部分，從CIGS薄膜SEM結果可發現：未通入氫氣的試片會影響CIGS/Mo接面造成試片效率的低落及短路。ESCA觀測到貧銅現象與效率呈現正相關，表面Na含量在15%時會達到極值且DLCP中可發現鈉效應現象的增加。LT-PL為探測CIGS缺陷的重要材料分析儀器之一，可在低溫環境下得到試片主要的缺陷種類。此次研究中發現到DAP1/BI比值中(相對強度)與效率呈現正相關，VSe在薄膜表面形成大量的結構使得本徵p-n結之形成，對於電子電洞分離不被缺陷捕捉有很大的貢獻，同時TEM-EDS分析發現同質接面變寬之現象，從中衍伸的電子電洞複合現象的減少造成p-n結優化的說法可從PL mapping中得知。 現行已開發出簡易及迅捷的氫氣輔助製程方式製備大面積(30cm*40cm)合金後硒化CIGS太陽能電池，並且成功達到10%之效率。此方法於工業應用上有十分龐大之潛力及前景。
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
隨著電機、電子及通訊等技術日新月異，電子產品朝向輕薄短小及多功能設計趨勢，唯有提高電子元組件之裝配密度及降低成本，方能滿足可攜式產品的使用需求。因此若將許多電子元組件裝配設計於更小的電路面積，電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)就一直是揮之不去的問題。高頻電磁雜訊會干擾到周圍的電子儀器或裝置運作，造成其功能誤動作或失效，嚴重時甚至會危害到人體的健康。目前在眾多電磁波抑制吸收材中，以具尖晶石相之高頻鐵氧磁體最具發展潛力，其優異的電磁損失及高絕緣電阻將有助於提升中高頻段之吸收效能。本研究旨在探討Ni摻雜劑濃度對NiCuZn或MnZn鐵氧磁體複合材料之晶體結構、表面形貌、磁性及電性、電磁傳輸及微波吸收性質之影響。本研究以固態反應燒結法製備鐵氧磁體材料，並引入高分子環氧樹脂以形成均質鐵氧磁體複合材料。本研究重點在於建立磁阻抗模型並模擬分析該複合材料之等效導磁率，計算結果比目前均質混成理論更能精準地預測等效導磁性質，尤其是在高磁性粉體濃度範圍(F/P ≥0.73)。另外，藉由高頻同軸法量測穿透及反射等雙向散射參數，快速萃取計算複合材料之電磁材料參數並解析微波損失與材料參數之關聯性，再配合微波吸收理論以設計出最佳化的單層/雙層吸收匹配結構及效能分析。 本研究初步調控NiZn鐵氧磁體材料的Zn摻雜濃度，以期能夠得到高飽和磁束性質並有助於元件微型化設計，結果發現當Zn濃度控制為0.5，經過1200℃燒結條件後可製備出高緻密性(5.22 g/cm3)及高飽和磁束(4400 G)。另外亦深入探討CuO摻雜於NiZn鐵氧磁體中之微結構及電磁特性。另外由NiCnZn鐵氧磁體/環氧樹脂複合材料所組成的單層微波結構，其微波吸收性能則於F/P=0.73及厚度8mm時具有較佳的反射損失(-48dB)及吸收頻率(4.6GHz). 另外，若均勻地摻雜奈米級Ni金屬於NiCuZn鐵氧磁體基底中，有助於增加鐵氧磁體顆粒間之磁區耦合能力並提升等效導磁率及微波吸收效能。該複合材料損失機制於低頻(<0.7GHz)以介電損失為主；而高頻則以磁性損失為主。當奈米級Ni金屬摻雜濃度為0.15及厚度為7.2mm時，其最大反射損失值可達-53.9dB且吸收頻率發生於1.46GHz，此吸收性能優於以介電材或導電材為主之微波材結構。再者，雙層微波吸收材設計則依高磁損層/高介電損層/導體層之堆疊次序可具有優異之電磁波吸收效能。 另一複合材料系統則研究摻雜NiO於MnZn鐵氧磁體之電磁性質，因考慮到製造成本及製程參數調控，故採用高溫大氣熱處理方式燒結並探討NiO摻雜濃度對於燒結緻密性、電性、磁性及微波吸收效能之影響。當NiO摻雜濃度依序增加時，該複合材降低矯頑磁力及提高飽和磁化量，呈現軟磁特徵之原因主要來自於反鐵磁相(hematite)消失及內部孔洞銳減所導致。 而另一有趣現象則發現材料表面因過度脫鋅而增加表層擴散速率以形成等軸晶結構成長並解析磁場走向及梯度。此複合材料之反射損失則當NiO濃度為0.24時之微波吸收效能為最佳，故極適合用於設計薄型化且優異吸收性能之電磁波抑制材料。
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。