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二元至六元碳化物與耐火金屬組成之 3000°C超高溫熔融複材研究

本研究碳化物與耐火金屬超高溫熔融複材，係碳化物與耐火金屬，透過真空電弧熔煉，液態膠結、凝固而成的複材，故稱為 Refractory Metal Fused Carbides。與傳統藉鈷或鎳金屬之液相，燒結而成的不具高熔點的碳化物相比，本研究新型塊狀複材，能夠同時兼具高熔點、高硬度及高韌性的特性。 本研究使用耐火金屬鉬、鎢、鉭、錸與過渡金屬格隙型碳化物TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, WC，以不同的比例，調配出多種含一至二元耐火金屬，與含ㄧ至四元碳化物所組成的複材，探討其室溫硬度、高溫硬度、韌性、耐磨耗、耐蝕、電阻率等性質，並佐以SEM、XRD、EPMA等儀器分析，以期此複材有優良的表現。 本研究複材為典型熔融後凝固之樹枝晶與樹枝間晶結構。整體室溫硬度落在800至2100 HV；室溫破裂韌性落在2.7至15.2 MPa m1/2。 為了要瞭解各碳化物對此複材的影響，先以鉬作為膠結相，分別結合上述的碳化物，觀察到由TiC, ZrC, HfC三者分別組成的複材，有MC相的生成；而含VC, WC者促進M2C相的產生；含NbC, TaC者使MC與 M2C相同時出現；而在一系列同時具有MC與 M2C的試片，可觀察到複材較能兼顧硬度與韌性；而若以Re為膠結相，在與W進行變量時，會有硬且脆的介金屬相Re3W出現，使整體硬度快速提升，韌性明顯下降；以Ta為膠結相時，會有雙晶形貌出現在微結構上，隨著W添加量的上升，雙晶才消失。 以氧化鋁砂輪帶，六公斤荷重，進行Pin-On-Belt磨耗試驗，在相近的硬度與韌性下，膠結相為純鉬基的試片，較純鎢基的為差，僅約其50 %，因此將膠結相進行鉬與鎢二元添加，使其能夠提供更多的強度， 相同的方式也應用於Re基及Ta基系列複材。 本研究複材在無切削液的重車削中，表現較商用WC-Co優異，這凸顯了本研究複材在高溫環境下使用更具優勢。在仿海水的環境下，抗蝕能力也較商用WC-Co優秀。1100oC高溫硬度落在680至1200 HV，較商用超硬合金優秀，值得注意的是本研究熔融複材塊材緻密度為100%。 本研究耐火金屬膠結熔融碳化物複材較傳統商用燒結瓷金，在高溫使用環境下具有更佳的機械性質；可應用於水泥工業與金屬工業之軋輥的硬面焊材、反應爐耐高溫部件、火箭或噴射引擎之耐火材料；除此之外，亦可針對不同的使用需求進行成分調配，在應用上具有更佳的彈性。

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電漿輔助大面積硒化銅銦鎵硒太陽能電池

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。德國ZSW已發展出效率21.7%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。 電漿用於太陽能電池上早有文獻出現，有研究指出硒粒加熱形成硒蒸氣時容易造成Sen (2

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有機與有機-無機混成發光元件

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以冷凍鑄造法及矽藻土合成具多階層孔洞結構之仿生複合材料

孔洞材料具有著質量輕、密度低及高孔隙率等優點，目前常廣泛應用於各種不同領域。自然界的多孔材料、如羽毛、鳥喙及骨骼等，皆具有多階層孔洞結構之輕量化設計。其結構由不同尺度之孔洞有序排列而構成，搭配蛋白質等具高韌性之天然有機物，進而達到高孔隙率、輕量化、高強度、高韌性等特性。 本研究主要目標為觀察骨頭、鳥羽等天然多階層孔洞結構，以其做為啟發與設計靈感，以具有奈米孔洞之矽藻土(Fossil Shell Flour)為原料，利用冷凍鑄造法(Freeze Casting)合成多孔材料，再加入高分子合成強化 (聚乙烯醇(PVA))，製造出多功能、質量輕且具有多階層結構的仿生孔洞複合材料。掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察證實利用上述冷凍鑄造技術與矽藻土陶瓷原料，可確實且有再現性地製造出具有多階層孔洞結構之輕量化陶瓷材料。而在機械性質方面，利用壓縮應力測試法測量並與同濃度之二氧化矽實心粉末鑄造之成品比較，發現兩者之最大壓縮應力與彈性係數相近，矽藻土成品則具有較佳的破裂韌性。此外，添加高分子強化，能增強陶瓷機多孔材料之機械性質，有效地提升強度與韌性。藉由調控不同參數，如降溫速率、漿料濃度、燒結溫度等，也可控制並改良其結構與機械性質。本研究亦量測仿生多孔複合材料之吸水、保水特性及熱阻抗，期望未來能以此多階層孔洞材料做為基礎，搭配各種合成技術，應用於各領域。

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以原子層沉積法製備奈米鉑於氮化鈦微孔結構應用於質子交換膜燃料電池之研究

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大面積銅銦鎵硒太陽能電池 轉移至任意基板的製程研究

銅銦鎵硒(Cu(In,Ga)Se2,CIGS)為一現今熱烈發展的太陽能電池吸收層材料，其優點具有直接能隙，有相當高的吸收係數，可製作成薄膜太陽能電池，減少材料使用，薄膜厚度的太陽能電池更可適用於可撓式基板及可攜式裝置。然而，高效率CIGS於成長時需要經歷一段高溫硒化(約攝氏600度)的反應過程，而部分可撓式基板無法承受如此高溫的反應溫度因而限制了可撓式CIGS的應用。有鑑於此，本研究開發成長後轉移元件的方式，避免了可撓式基板經歷高溫硒化的製程，可以成功的將CIGS應用在各式可撓式基板上。 　　轉移後的CIGS透過掃描式電子顯微鏡觀察其表面及橫截面，皆呈現了與轉移前一致的結構，拉曼光譜分析證實了轉移後的CIGS與轉移前一致的振動能。X光繞射分析及光激發分析顯示了CIGS晶格有些微的錯置，但仍舊保持良好特性。電性分析表現了近70％的光轉換效率仍能維持。 　　此研究所開發的方法不但可以將CIGS應用至更廣泛的可撓式基板上，原本成長於不銹鋼基板因製程高溫而導致的鐵擴散效應也可避免，更可應用於除了CIGS以外的太陽能電池元件。此製程更因製程步驟簡單，可大面積處理，便於應用於工業化製程。

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可低溫共燒之CaO-Al2O3-SiO2玻璃+氧化鋁系統 之結晶動力學及介電性質之研究

本實驗探討低介電、可低溫共燒之CaO-Al2O3-SiO2 (CASG) 玻璃-陶瓷之結晶動力學及其機構，以及加入氧化鋁對此玻璃-陶瓷之結晶動力學及其介電性質之影響。純CASG玻璃於燒結過程當中形成pseudowollastonite (CaSiO3)、anorthite (CaAl2Si2O8) 及cristobalite (SiO2) 三種結晶相。由活化能之分析顯示結晶相之孕核受玻璃之相分離 (phase separation) 所控制。Pseudowollastonite 及cristobalite的結晶動力學皆遵循Avrami方程式之分析，並由實驗結果顯示兩者之表觀活化能 (apparent activation energy) 與鹼金屬離子在玻璃中擴散之活化能相近，此暗示擴散為速率控制步驟 (rate-controlling step)，而上述之結論再經由分析經量測而獲得的結晶成長速率進一步獲得驗證。當所添加的氧化鋁含量高於一臨界值時，除anorthite外，前述其他結晶相完全被抑制。上述結果係由於氧化鋁溶解於玻璃所致，此溶解現象使玻璃轉變為富鋁 (aluminum-rich) 之組成，且氧化鋁溶入玻璃之速率在動力學上遠較pseudowollastonite及cristobalite之形成為快。而anorthite之結晶動力學同樣依循Avrami方程式之分析，結果顯示其表觀活化能與Al-O鍵的強度相當，此暗示anorthite的形成屬於反應控制動力學 (reaction-controlled kinetics) 機構。在CASG + alumina系統中，隨著燒結時間的增加，材料的介電常數並未有顯著的變化，約為8左右；然而材料的介電損失卻出現顯著的下降，推測其原因為高介電損失相 (CASG) 的減少伴隨著低介電損失相 (anorthite) 的形成。

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FeCoNi至CoCrFeMnNi等莫耳合金之晶界工程

晶界工程為一加工熱處理工藝，藉由多次冷輥壓、熱輥壓與退火製程，改變晶界分佈的構成方式，改善材料性質，並被廣泛應用於超合金與不鏽鋼中。本研究將晶界工程應用於等莫耳合金CoCrFeMnNi，CoCrFeNi，與FeCoNi，其目的為研究高熵合金於晶界工程之晶界反應機制，並探討高熵化是否有助於讓材料更易形成特殊晶界與打斷高角度晶界網路，藉此優化材料特性。研究結果顯示，依不同晶界工程加工工藝，影響特殊晶界的主要因子也隨之改變。於單步再結晶時，FeCoNi擁有最佳化之晶界特徵分佈，而CoCrFeNi擁有最少量之特殊晶界比例。晶界特徵分佈主要受晶界移動速率，與高熵效應中，嚴重晶格扭曲所造成之晶界能量下降之影響。同時，高效效應中的嚴重晶格扭曲與遲緩擴散亦造成材料再結晶溫度的上升。於單步應變退火時，CoCrFeNi擁有最佳化之晶界特徵分佈，而FeCoNi之晶界特徵分佈則為最差。晶界特徵分佈主要受晶界移動速率，非共格Σ3晶界於加工與退火過程中的生成，與高熵效應中，嚴重晶格扭曲和遲緩擴散效應的影響。於多步應變退火時，CoCrFeNi擁有最佳化之晶界特徵分佈，而CoCrFeMnNi則次之。晶界特徵分佈主要受晶界移動速率，非共格Σ3晶界於加工與退火過程中的生成，與高熵效應中，嚴重晶格扭曲和遲緩擴散效應的影響，影響因子和單步應變退火相近。

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開發先進金屬合金應用於SOFC連接板

本研究係使用Thermo-Calc及CALPHAD-base JMatPro兩款熱力學模擬軟體，並搭配真空電弧熔煉（VAM）開發出三組具應用於固態氧化物燃料電池（SOFCs）金屬連結板（metallic interconnect）潛力之合金材料：鎳基CMH-1、鎳鐵基CMH-2、與鐵基CMH-3。三組特殊設計之合金將參考固態氧化物燃料電池連結板實際運作之條件進行綜合性評估，探討實際應用之可能性。實驗內容包含800 °C下之熱差分析（DTA）、高溫相穩定測試、抗氧化能力試驗、面積比電阻量測（ASR）、熱膨脹行為探討（CTE）、高溫硬度潛變分析、及鉻揮發趨勢。同時，兩款商用連結板鐵基材料：Crofer 22H與ZMG232 G10，將作為本研究之參考組。 綜合結果顯示，CMH-1及CMH-2具相對優秀之高溫機性性質、低面積比電阻、低鉻揮發趨勢，CMH-3則具良好之低熱膨脹行為、高抗氧化能力。三組特殊設計之合金材料皆表現出適合應用於固態氧化物燃料電池金屬連結板之性質。

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室溫下雷射退火快速成長二維材料

二維材料是層狀結構材料，每層厚度為原子等級 (~0.7奈米)，其中以石墨烯最為人所知，石墨烯為最早被人製備且穩定之二維材料，擁有許多優異性質，例如高強度，高熱傳導率，和高電子遷移率。而最近Transition Metal Dichalcogenides(TMDs)因其特殊性質而漸漸受研究者矚目，TMDs中的二硫化鉬以及二硫化鎢擁有半導體特性，且為直接能隙，可成為有效的光電元件，因而成為TMDs的研究重點。 現今得到二維材料的方式主要為兩種: (1) 機械剝離(exfoliation) (2) 化學氣象沉積 (CVD)，但第一種方式生產效率極低，而CVD製程雖可得到大面積的材料，卻需要高溫以及轉移基板的步驟，造成基板的選擇有限，以及轉移步驟後的有機物殘留會嚴重影響材料性質。因此本文將介紹以雷射輔助加熱製備石墨烯和TMDs材料，改善上述之問題並維持高品質。 在石墨烯部分，拉曼光譜及穿透式電子顯微鏡(TEM)影像顯示出此方式可得到多層石墨烯(小於8層)，並可利用不同厚度之金屬層定義石墨烯圖型用以製備電子元件，例如場效電晶體，並得到其電洞及電子遷移率分別為500 與950 cm2 V −1 s −1。 TMDs材料除上述之製備問題，二硫化鉬以及二硫化鎢在先前的研究中已知其光電性質在大氣中會因吸收水氣或氧氣而改變。因此本實驗可用一步驟在氧化物保護層下生成雙層二硫化鎢，可直接生成於所需基板不需轉移步驟且可利用上層之氧化物保護二硫化鎢與大氣接觸而變質。並於文末介紹將此二硫化鎢應用於光感測元件。