清華大學材料科學工程學系學位論文
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1945年美國貝爾實驗室設計、通用電氣公司製造出以鎂為陽極，氯化銀為陰極之海水電池作為魚雷電源及照明設備。但由於氯化銀成本昂貴且有汙染海洋的情況，陸陸續續有許多不具銀成份的材料被研究做為替代的海水電池陰極。我們承襲這樣的想法，去設計一個穩定而無汙染的海水電池。 承前學長姐在電池陰極與電池水流循環之研究，我們選定鎳為陰極板來解決成本及汙染之問題。於本研究中，首要提高單位空間內的電流輸出量，必然優先縮短陰極與楊極之間的距離，然而距離過小的時電極板可能會因為接觸而造成短路，故加入間隔物於海水電池陰極陽極間，一方面提升海水電池之空間使用率另一方面也可以解決陰陽電極接觸短路的問題。此外完整海水電池系統中需要通以水流循環解決氫氧化鎂沉澱以及氧氣消耗之問題，本實驗設計一個以海水電池本身產出的之電流驅動馬達達到水流循環，以串並聯方式觀察其放電表現。最後，我們藉由增加金屬反應面積來提升電流，並且以定電流放電測試其壓降表現。
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隨著科技逐漸的進步發展，人們對於儲能的需求也越來越大，並且致力於研究出更高能量密度的儲能裝置。在鋰離子陽極材料中，矽 (Si) 被認為是鋰離子電池 (LIB) 陽極材料的候選材料之一，這歸因於其高理論比容量和低成本的優勢。 但是低電導率循環中的大體積膨脹 (~300%) 以及由於體積反覆變化而引起的固體電解質界面 (SEI) 層的不穩定性，限制了將Si用作鋰離子電池中的陽極。 本研究將工業上取得的矽氧複合物SiOx原始粉末經過高溫熱處理、加入葡萄糖酒精溶液中以水熱法摻碳、高溫碳化等具工業化潛力的程序加工改良後，摻少量進入石墨材料中，探討其對比電容量等電性的影響。矽氧複合物具有高達1500 mAh/g以上的比電容量，其比電容量的貢獻主要來自複合物中分散的矽；然而，矽在儲鋰時會轉為鋰矽化合物，伴隨劇烈體積膨脹。本研究之所以採用「混合」的方式增進電池比電容量，希望能將具有緩衝體積膨脹性質的石墨與高比電容量的矽氧複合物搭配，達到相輔相成的效果。 結果的確如預期，包覆碳的SiOx的確不會因為結構崩塌而造成電性上的損失，另外組裝以C/Si/SiOz混合石墨為陽極和三元材料為陰極的全電池，以0.5 C速率進行充放電循環測試，首圈庫倫效率高達97.76%，經過1000圈後衰減率也僅有25%。
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銀、銅電極與氧化鈦、氧化鉿固態電解質在化學電解金屬化電阻式記憶體中是很常見且性能優良的材料選擇。但是當元件縮小化時，元件的可靠度和易變度就會有很大的影響，因為元件內的導電燈絲是隨機形成與熔斷的，因此如果可以控制離子的注入將可以改善元件的可靠度和易變度。在這個研究中我們考量兩個方向，一個是不同的電極與氧化物的組合有著不同的擴散係數，將影響離子的注入與低阻持久性。第二是探究夾在電極與固態電解質之間的氧化鋁奈米柱狀結構，當調整氧化鋁覆蓋率時，奈米柱的間距將可從十奈米調整至三十奈米，這層氧化鋁將會扮演著限制銀與銅擴散的角色，這層結構的設計將改善元件的持久性與多階儲存功能。實驗的最後也將提供一個指引，告訴讀者不同的電極與固態電解質組合與奈米擴散阻障層結合後在電性表現與在類神經應用的潛力。
本文將於2025/05/17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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I-III-IV2族半導體(例如CuInSe2、CuInGaSe2)由於其優異的光學吸收特性為目前極具前景的薄膜太陽能電池材料；另一方面由於奈米結構陣列具有獨特的光學吸收特性，已有許多奈米結構製程技術被提出，因此在本論文第一部分我們提出新穎非真空製程技術製作CuInSe2奈米柱陣列並探討其光學特性並應用於太陽能電池，奈米柱陣列以CuInSe2奈米粒子作為前驅物，並藉由機械式刮刀法填入陽極氧化鋁模板內，XRD和Raman光譜顯示CuInSe2奈米柱成功生成於陽極氧化鋁模板內，在陽極氧化鋁模板移除後可得到垂直排列的CuInSe2奈米柱陣列，由TEM分析可看出CuInSe2奈米柱為多晶結構，由UV-Vis光譜分析發現CuInSe2奈米柱具有1.2%反射率低於9.8%的原始反射率，反射率降低可由漸變式的折射率梯度解釋，而由吸收率切線截距測得能隙約1.01 eV與CuInSe2塊材相符，整體而言此機械式刮刀法具有簡單且低成本之製程優勢。第二部分我們利用氮化矽奈米尖錐陣列製作CuInGaSe2奈米反釋迦結構陣列，並研究其光學特性進而製成太陽能電池元件。氮化矽奈米尖錐陣列由ICP-RIE製程製備而得，Mo背電極與CIGS吸收層由濺鍍法製備，CuInGaSe2吸收層厚度調變範圍為0.5-2 µm，隨厚度增加可看出反釋迦結構陣列由獨立分離漸漸轉為彼此互相重疊，藉由XRD光譜可看出CIGS奈米反釋迦結構陣列為黃銅礦結構，UV-vis光譜分析發現CIGS奈米反釋迦結構陣列反射率大幅降低且0.5 µm的元件具有最高的短路電流，目前元件最高效率為0.9%。
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在過去數十年以來，由於電子元件的效能提升，許多團隊都致力於開發高性能的散熱裝置以處理晶片運作中所帶來的廢熱，以延長電子元件的壽命。電子元件的散熱裝置以熱管及均溫板為兩大主要核心，其中的毛細滲透層又以燒結型的管芯結構最為通用。然而，在高溫燒結製程下所帶來的高成本再加上電子元件尺寸持續的縮小，使得燒結型結構將面臨銅粉不易填入熱管的微型化挑戰。本研究透過控制直流電鍍模式的製程參數，成功製備出兩種不同種類的多孔性吸濕微結構銅薄膜。經由掃描式電子顯微鏡的觀察，此銅薄膜具有奈米級(枝狀晶間隙所構成)的孔洞結構以及微米級(氫氣泡之生成)的孔洞結構。利用電鍍方式製備的結構有別於通用的燒結型，具有低成本、短製程時間及穩定的優點，藉由改變銅薄膜的厚度(介於30 ~ 550 μm)可改變其能容納工作流體的量。此外隨著電鍍電流密度的提升，擁有多尺寸孔洞的銅薄膜微結構將由通道型孔洞枝狀晶轉化為隕石坑型孔洞枝狀晶。當電鍍電流密度為0.5 A/cm2 時，吸濕特性參數(K/Reff，K:透透率(Permeability)，Reff:有效孔洞半徑(Effective pore size))可達到0.5 μm。最後，具備多尺寸孔洞之電鍍銅膜最大散熱量可達約66.8 W(應用於等效長度10 cm、毛細結構截面積 3.6×〖10〗^(-5) m^2之平板型熱管，並以水為工作流體)，其等效熱傳導係數為純銅塊的18.5~30倍。
本文將於2025/01/15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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本研究以不同成長參數與材料堆疊順序，將氧化鋅、銅氧化物、金組成三元奈米複合材料，作為化學電阻式NO2氣體感測器，目標是在室溫下達到高穩定性及高靈敏度的氣體感測應用，並對環境參數如溫溼度對氣體感測影響進行探討。 先以低溫水熱法於基板上製備ZnO奈米柱(nanorod)，並進行高溫退火，然後透過光還原法，將 CuxO奈米團簇(nanoclusters)與Au奈米粒子(nanoparticles, NPs)成長在ZnO奈米柱上。依照不同光還原次序，製備Au/Cu_x O/ZnO (Au在最外)與CuxO/Au/ZnO (CuxO在最外)兩種三元奈米複合材料，同時CuxO有三種不同還原時間，共製備六種樣品。 掃描式電子顯微鏡(SEM)用來觀察奈米複合材料的表面形貌，ZnO奈米柱呈現六角形，平均直徑約100 nm。CuxO奈米團簇在Au/CuxO/ZnO與CuxO/Au/ZnO上的大小分別約為400 nm與200 nm。Au奈米粒子只在Cu_x O奈米團簇上可見，大小約30 nm，而CuxO奈米團簇在CuxO/Au/ZnO的分布密度較高。並以螢光光譜(PL)分析電荷分離現象、能隙與缺陷的存在，能量分散式能譜(EDS)來了解試片中的元素組成，X射線光電子能譜(XPS)來分析Cu2O與CuO在 CuxO奈米團簇的組成比。 氣體感測以NO2作為測試氣體，在100 ppb NO2，還原6小時的Au/CuxO/ZnO樣品具有最高響應值為680%。對濕度效應，電阻會先隨濕度增加而下降，但在達到臨界濕度後，電阻反而隨濕度增加上升。臨界濕度取決於存在的缺陷數量，大量受體缺陷會得到較高臨界濕度。響應會先隨著濕度上升而上升，達到臨界濕度後，響應隨濕度增加而下降。隨著溫度上升，試片的電阻與響應都隨之下降。此外也發現Au/CuxO/ZnO樣品，因溫濕度造成的電阻變化較大，在43天長期測試，CuxO/Au/ZnO樣品具有較佳穩定性。由於樣品含有CuxO試片，在連續紫外光照射下，產生自我氧化及還原，因此會有不穩定狀況。最後並使用自製的可攜式氣體感測裝置，進行試片的長期測試。 總之，我們製作了CuxO/Au/ZnO與Au/CuxO/ZnO奈米複合材料，並應用於NO2氣體感測。CuxO/Au/ZnO奈米複合材料展示較高穩定性，在溫溼度條件變化時有較低的變化。而溫溼度影響並非線性，高溫下濕度造成的變化較低，高濕度下溫度造成的變化較低。
本文將於2026/01/13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。