清華大學材料科學工程學系學位論文
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高熵合金（HEAs）是具有五種或更多種等量元素的新型材料。 HEA研究的一個主要挑戰是缺乏相穩定性信息。由於缺乏高階相圖，成分選擇是另一大挑戰。兩種主要類型的方法用於組合物選擇，兩者都具有某些挑戰。一種是簡單的相位預測方法，另一種是穩健的Calphad（PHAse Diagram的計算）方法。簡單的相位預測方法具有顯著的不准確性，並且沒有一種方法直接使用吉布斯能量。在Calphad方法中，不可用或不准確的Gibbs能量數據庫是問題。本研究試圖解決這些問題。 研究了CoCrMnNi，CoCrCuMnNi和AlCoCrMnNi高熵合金的相穩定性。將真空電弧熔化的樣品在1273K下熱處理24小時，然後在673,873和1073K下熱處理240小時。使用XRD和SEM表徵微結構。 為了檢查Calphad方法的成功，使用Thermo-Calc軟件中的TCHEA數據庫進行計算，並將結果與實驗微結構進行比較。 1273 K微結構與計算相匹配。在大多數長期熱處理情況下，在所有三種合金中都觀察到富含Cr，Co和Mn的σ相。計算在預測σ相穩定性方面不成功。為了解決這種差異，需要在Co-Cr，Cr-Mn，Co-Mn和Co-Cr-Mn系統中開發σ相的新吉布斯能量函數。熱力學評估用於此目的。輸入生成是通過文獻數據收集，算法計算和涉及平衡合金和擴散偶的實驗。在熱力學評估之後，新數據用於替換TCHEA數據庫中的相應功能。使用TCHEA（改進）數據庫進行計算。新數據成功地提供了更準確的結果，因為σ相出現在673 - 1073 K的計算中，與實驗相匹配。 TCHEA（改進的）數據將極大地提高Calphad對HEAs應用的準確性，例如使用高通量方法快速篩選有用的組合物。 除了相穩定性研究和改進的Calphad研究外，本文還提出了一種簡單的組合設計方法。在用於組成設計的簡單方法中，沒有一種方法能夠同時正確地預測當前三種合金中的相。提出了一種使用二元吉布斯能量 - 成分（G-x）圖來預測相位的新方法。它只需要單獨的二元吉布斯能量函數而不是多組分數據庫。它適用於設計單相作為目標微結構的HEA。此外，它也為多相形成提供了重要的見解。它成功地預測了目前合金中的相以及文獻中報導的少量合金。它提供了二元相圖檢查方法和多組分Calphad研究之間的折衷。由於它只需要對單個二進制系統進行熱力學描述，因此可以通過HEA社區更廣泛地使用可用的二進制Calphad描述。
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隨著能源的耗竭與環保意識的高漲，作為一種乾淨且可再生的能源，以及近幾十年來的發展，氫能源已被視為解決全球能源危機的主要能源之一，而氫能源的發展已成為全球矚目的焦點。 在本論文中，利用了金奈米顆粒/三元硫化鎘鋅奈米線之組合可以形成優異的光催化產氫性能，並證實了不同化學組成比例的三元硫化鎘鋅奈米線將會具有不同特性的產氫效率表現。在模擬太陽光下（使用AM1.5G的濾光片），硫化鎘鋅奈米線之光催化劑對於產氫的催化活性比純硫化鋅和硫化鎘奈米線高。當鋅與鎘含量的比例接近1:1時，此時樣品的最高的產氫率為57.07 mmol·h-1·g-1，超過純硫化鎘和硫化鋅樣品的各3倍與50倍以上。這種高效的光催化產氫之活性主要歸因於適當的能隙大小和合適的導帶邊緣電位。 此外，以電漿體作為媒介的光催化反應可以增強光激發並改善半導體光催化劑系統中的電荷分離。利用金奈米顆粒附著在不同化學組成比例之硫化鎘鋅奈米線上，在可見或近紅外波長處具有局部表面電漿共振效應產生。在此研究中通過電子束熱蒸鍍沉積2.5-, 3.5-, 5- 和10奈米的金薄膜於三元硫化鎘鋅奈米線上然後再進行熱退火處理形成金奈米顆粒/奈米線異質結構。發現產氫效率最高的異質結構是鍍上3.5奈米的金隨後進行退火處理而形成。當在模擬太陽光之情況下，適當大小的金奈米顆粒以及平均的金奈米顆粒局部分佈可以使金-硫化鎘鋅奈米之異質結構的產氫效率表現再提升至將近1.7倍。
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未來⾃動駕駛技術可以藉由先進駕駛輔助系統（ADAS）與遠端輔助中⼼（RAC）的協作來實現。相較3C 產品，⾞⽤晶⽚的可靠度要求將變得更嚴格，以確保乘客的⽣命安全，因之，封裝中銲點的機械和熱循環可靠度將在⾞⽤電⼦中扮演關鍵⾓⾊。此外，對於遠端輔助中⼼內的伺服器，具有⾼輸⼊/輸出(I/O)密度和⼩封裝尺⼨的三維封裝(3D-IC)將是⾼效能晶⽚的不⼆選擇。本研究將以鎳作為核⼼技術出發，對銲點的微觀結構，晶體學性質和可靠度進⾏改質。 ⾸先，本研究利⽤架構改質的⽅式解決三維封裝中的問題。藉由具備兩種不同銲料複合焊點，三維封裝中熱預算、翹曲和堆疊晶⽚過重的疑慮皆可以被改善。透過結合錫-銀-銅與錫-鉍銲料，成功於185℃的迴銲溫度，將銲點接合於銅基版上。鑑於錫-銀-銅銲球有較⾼的熔點，加熱時銲球局部將不會參與反應並維持固態，此固態區域能防⽌三維結構坍塌並進⼀步避免相鄰銲點間的橋接問題。 接著，為了提升⾞⽤晶⽚中銲點之機械可靠度，本研究將對銲料合⾦進⾏改質，以提升銲點的銲球剪切強度。結果顯⽰，透過選⽤0.1 %鎳(重量百分濃度)摻雜的錫-銀-銅銲球與鎳基板的材料系統，能有效細化銲點中的錫晶粒。由於晶相結構呈現隨機晶向，故此結構是由⼤量成核點所形成的細晶結構，⽽⾮樹枝狀結構。同時，鎳細化錫晶粒的機制也會⼀併探討。再者，相較於未摻雜的銲點，銲球推⼒測試也顯⽰鎳摻雜的銲點有更⾼的球剪切強度。 最後，研究⽬標為探討晶粒結構與熱循環試驗下銲點失效模式之間的關係。藉由改質無鍍鎳鈀浸⾦(ENEPIG)球下⾦屬(UBM)，具有超薄鎳鍍層之ENEPIG 能有效粗化Cu/Sn-Ag-Cu/ENEPIG 銲點中的錫晶粒。當ENEPIG 中鎳鍍層為0.26 微⽶時，破壞會沿著錫晶界發⽣。⽽若將鎳鍍層縮減⾄0.13 微⽶，由於銲點中的錫晶粒較⼤，將會在銲料中形成滑移帶。 總結來說，鎳展現出調變錫銲點中晶粒結構的能⼒。針對三維封裝與銲點可靠度所⾯臨之重要議題，本研究也透過三種改質⽅法提出了可能的解決⽅案，期望本研究之結果有助於⾃動駕駛技術之發展。
本文將於2024/07/16開放下載。若您希望在開放下載時收到通知，可將文章加入收藏。
本文將於2024/07/14開放下載。若您希望在開放下載時收到通知，可將文章加入收藏。
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電磁污染是現今急需解決的重要議題之一，因為它不僅會干擾電子設備的運作，更會對人體健康造成影響，可能導致如白血病、腦腫瘤等嚴重的疾病。對此而言，碳及其複合材料在電磁波屏蔽領域引起各界廣大關注，其具有優良的電性、可撓性、低成本、環境友善、容易製造及化學惰性等優點。然而，高導電度容易造成屏蔽機制以反射為主，這可透過調整奈米材料的微結構、屏蔽物結構設計或添加外來物質來調整，如使用具有介電性質或磁偶極子之材料來增強電磁波吸收。本研究中，以碳奈米材料作為屏蔽X頻段電磁波的主要材料，並深入探討微結構、介電材料和磁性材料於電磁波屏蔽中扮演之角色與機制。 首先，本研究將討論介電材料和磁性材料於電磁波屏蔽中的作用。我們開發出一種輕量化的複合墊，其孔隙率約為40%，由非晶碳、氧化鋅奈米棒和鐵鋅鎳氧體(Zinc oxide nanorods-nickel zinc ferrite, ZNF)組成，其於X頻段的電磁波屏蔽主要由吸收所貢獻。由振動樣品磁強計的測量可證實，複合材料的飽和磁化量會隨著ZNF粉末的重量百分比增加，而使電磁波的磁損耗增加。當樣品厚度為1.0 mm時，非晶碳複合材料測得之電磁波屏蔽效能為25.70 dB，而當樣品摻入ZNF粉末後，電磁波屏蔽效能可進一步提高至53 dB，效能的提升主要來自複合材料較佳的磁性、界面極化和介電性質之貢獻。適當的材料搭配，可使其具有高電磁波吸收率，而本研究研發之複合材料可屏蔽99.999%的電磁波，其反射率為8.394%、吸收率為91.605%。此外，可透過控制複合材料中ZNF粉末的量，來調整複合材料的電磁性質及電磁波屏蔽性質。 為了探討孔洞與添加介電材料及磁性材料對電磁屏蔽所造成的影響，我們進一步製備具有三維連通孔洞的石墨烯氣凝膠，並複合鈷鐵氧體(Cobalt ferrite nanoparticles, CFO)奈米粒子和氧化鋅奈米棒，用於吸收機制主導的電磁波屏蔽材料。由於其低密度、高孔隙率以及高表面積的特性，石墨烯氣凝膠在5 mm的厚度下，總屏蔽效能可達25.07 dB，而在摻雜CFO奈米粒子後，可進一步提升至42.10 dB。複合磁性鐵鈷氧體不僅能夠提升氣凝膠的總屏蔽效能，且能夠將電磁波吸收率從37.738%提升至87.788%。藉由複合ZnO奈米棒以及鈷鐵氧體奈米粒子於氣凝膠，總屏蔽效能可被提高至48.56 dB，同時具有93.655%的電磁波吸收率。此外，氣凝膠的高表面積和高孔隙率有利於電磁波在材料內部進行多重反射，因此能夠達成電磁波的高吸收率。 除此之外，許多團隊也針對穿戴式電磁波屏蔽材料如導電織品進行開發，以保護人類和敏感的電子設備免於電磁污染。我們進一步在棉織品上複合氧化鋅和還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide, rGO)，用於製備穿戴式電磁波屏蔽材料。透過簡單且低成本的溶膠-凝膠法(sol-gel method)，可以均勻地將氧化鋅奈米顆粒塗覆於棉織品表面，藉由噴塗rGO溶液並進行熱還原可以簡單並均勻地塗覆rGO。由結果可以觀察到總屏蔽效能隨著rGO塗覆量增加，然而反射損耗會因為棉織品的導電度提高而降低。rGO/ZnO塗覆棉 (ZnO + 7 wt% rGO)的總屏蔽效能最高可達99.999%，其中反射率為17.783%，吸收率為82.216%。此材料之高吸收率可歸因於ZnO奈米顆粒的高介電性質、rGO片的高導電度和rGO/ZnO塗覆棉織品的核-殼結構。由實驗結果得知，rGO的過量添加會阻塞棉織品的所有孔隙，這對於電磁波的吸收是不利的。當ZnO塗覆棉的rGO塗覆量為3 wt%時，可達到90%的高吸收率。
本文將於2024/06/26開放下載。若您希望在開放下載時收到通知，可將文章加入收藏。
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吾人本次實習位於台灣清華大學材料科學系，加入由吳志明教授所領導的能源與光電實驗室。在實習期間，吾人從事由魷魚鞘萃取β-幾丁質的壓電響應之研究，藉由其壓電性質，在施予外在機械力後，能夠應用於奈米發電機，並利用產生的自由基降解水中染料，再藉其生物可降解性，達到生物資源循環之概念。 目前完成工作項目: 1.由魷魚鞘萃取β-幾丁質 2.去蛋白質 和/或 去礦物質 3.乾燥和研磨 4.傅立葉紅外線分析 5.將α-幾丁質轉換成β-幾丁質(拉力測試) 6.提升β-幾丁質鐵電性質 7.β-幾丁質之壓電性質探討 8.奈米發電機 9.壓電觸媒 一般常見具有壓電性質之氟化聚合物當其在合成和分解時，常釋出傷害環境之物質。因此，在能源相關材料中找尋友善環境並具生物相容性之壓電聚合物極具意義。
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有機發光二極體（OLED）由於在高品質顯示器和固態照明中的應用日益增加而備受矚目。 因OLED的固有優勢，促使工程師和科學家們付出許多努力，將這項技術用於下一代消費電子產品；其顯著的優點包括低功耗、散熱、色域可調、元件製程容易、可撓及形狀可隨所需而改變。使此項技術持續發展的是新穎有機材料的開發，其在於發展高性能元件上扮演極重要的角色；探尋幾種分子結構，咔唑分子本身具有高熱穩定性、良好的電洞遷移率、容易合成的路徑及易於結構調整，咔唑分子已被用於設計電洞傳輸、主體和發光材料，因此，根基於咔唑分子的OLED元件已展現顯著進步。 本研究中使用根基於咔唑之主體和發光材料的使用。咔唑合成並透過添加官能基進行改質。兩個提供電子的甲氧基與咔唑核連接，使其分子具有非常好的電洞遷移率、非常寬的光學能階差及高三重態能量。利用這些性質，該新穎材料能用作為磷光有機發光二極體中的主體材料。因此，透過摻雜綠色磷光染料Ir(ppy)3來研製OLED元件，並透過溶液和熱蒸鍍製程。此兩種元件皆表現出高發光效率，其中乾式製程元件，於100 cd/m2 下之能量效率52.7 lm/W、電流效率為59.4 cd/A、外部量子效率16.4％及最大亮度為 36,810 cd/m2；而使用高電洞遷移率之咔唑電洞傳輸材料，其元件性能能量效率提升至62.8 lm/W、電流效率61.0 cd/A、外部量子效率17.2% 及最大亮度47,890 cd/m2；此外，基於咔唑主體元件在1,000cd/m2下的效率滾降非常低。 本研究亦開發一種根基於咔唑的新穎深藍螢光發光材料，其三苯胺作為供電子基團，而腈官能基作為接受電子基團；這些取代基的加入，改變了材料的HOMO和LUMO能階，因此，所得材料擁有非常寬的能隙。為了了解其光電表現，將其摻雜在雙極性主體中，此新穎發光材料顯示出其具有濕式和乾式特性。與國家電視系統委員會標準相比，溼式製程元件為高效率之深藍光，其色彩飽和度極高，超過100%。
本文將於2024/06/25開放下載。若您希望在開放下載時收到通知，可將文章加入收藏。