清華大學化學工程學系學位論文
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嵌段共聚物自組裝可利用調整排斥力強度及組成的方式提供我們得到不同規則排列的奈米結構之方法。然而，在wet brush的條件下，將一個能均勻混到其中一微相結構中的均聚物混摻至嵌段共聚物中是一個能有效調控自組裝結構的方式。在高度不對稱的組成中，嵌段共聚物會形成微胞，這些微胞會進而排列成一個三維向度的結構，而這些立體結構中以體心立方結構最為對稱。近年的理論研究發現，當構型高度不對稱且主成分鏈鍛的Kuhn length較小時，若嵌段共聚物系統可形成微胞，則這些微胞會趨向形成Frank-Kasper相。此時，為了減少冠狀區域的高分子鏈鍛產生packing frustration，微胞中的球核區與冠狀區域之介面會形變成Voronoi cell的形狀。 在此研究中，我們利用強排斥力嵌段共聚物:聚苯乙烯-共-聚二甲基矽氧烷混摻聚苯乙烯均聚物，將系統調控在組成不對稱的區域來系統性的探討其自組裝結構及相行為。從先前文獻的結果得知，聚苯乙烯-共-聚二甲基矽氧烷屬於構型對稱的系統，此系統不應形成Frank-Kasper相。然而，聚苯乙烯與聚二甲基矽氧烷之間有極大的排斥力，因此趨向形成微胞來降低介面自由能。然而，我們發現即使在高度組成不對稱的情況下，由於純的嵌段共聚物擁有較強的排斥力，使得介面自由能主導整體自組裝行為，而形成六方堆積柱狀結構。若混摻一種比共聚物之聚苯乙烯鏈鍛還小分子量的聚苯乙烯均聚物，此時系統會形成微胞結構，代表聚苯乙烯均聚物與共聚物之聚苯乙烯在冠狀區域中相互混合。於此系統中，聚二甲基矽氧烷所形成之球核主要會以體心立方結構的方式排列。有趣的是，在靠近六方堆積柱狀結構的附近，我們發現當均聚物分子量較小時，微胞將排列成Frank-Kasper σ 相。在升溫過程中，由於lattice fluctuation的緣故，使得微胞從近似準晶結構轉變成體心立方結構。此研究說明，即便在構型對稱的系統中，仍可利用混摻均聚物的方式來得到Frank-Kasper σ 相。
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二氧化鈦 (TiO2) 由於其合適的能階、高耐熱性、低成本和無毒，通常用作鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 中的電子傳輸層 (ETL)。 TiO2薄膜的沉積方法有旋塗（SC）、噴塗、原子層沉積和電沉積（ED）等多種方法；其中，ED 因其易於控制、可擴展性和成本效益而被認為是一種可行的生產方法。我們的實驗室先前研究了來由TiCl3 水溶液的 TiO2 薄膜的 ED，並將其用作 PSC 的緻密層。之後，我們實驗室還嘗試了多孔 TiO2 薄膜的 ED，並探索了將其用作 PSC 支架的可能性。 在這項研究中，我們進一步改進了用於 PSC 的 電沉積TiO2 技術。在第一部分中，研究了 ED 參數，如外加電位、電解液溫度、循環次數對對薄膜的形貌和性能的影響。可以觀察到，當在-0.50 V 下電沉積並在 ED 期間施加更多熱量時，尤其是在 70 oC 時，TiO2 薄膜的形態被完全覆蓋且多孔。此外，循環次數的增加導致成核和生長速率的變化，從而改善了薄膜的多孔形貌。最後，我們獲得了一個最佳方案，即 ED 在 -0.50 V、70 oC、180 秒、6 個循環。所得薄膜完全覆蓋，多孔，結晶度高，電子提取能力好。相對於在-0.50 V、常溫、單循環的條件，可以觀察到效率由12.6 % 上升至16.8 %。 在本論文的第二部分，我們的目標是將上述的參數應用於共電沉積 Sn摻雜的 TiO2。我們首先進行了實驗，分別了解 Ti3+ 和 Sn2+ 離子的電化學行為，以推測兩種離子共電沉積過程的可能性和機制。之後，製備了Sn摻雜的ED TiO2薄膜，從形貌、光學和電學性能方面研究了不同Sn2+濃度對ED電解質中的影響。結果表明Sn元素成功摻雜到TiO2晶格中。所得的摻雜 Sn 的氧化物層比純 TiO2 的導電性更好。此外，通過摻雜 Sn 的 ETL 製造的 PSC 顯示出 JSC、VOC 和 FF 的改善。最佳元件由 Sn-5 ETL（ED 電解液中 Sn2+ 的摩爾比為 5%）製備而成，PCE 為 19.3%，與由純 ED TiO2 ETL 製造的電池的16.8%相比，PCE 高出許多。
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複合材料由於質輕及強度高，抗腐蝕性佳，近年來廣泛地受到各行各業的青睞。但由於高材料成本與產品價值，減少預產品中的缺陷是業界的首要任務。但是近年來複合材料的檢測技術只能檢測那些已經完成交聯反應的預產品，無法提前就檢測出缺陷，這樣無形中增加許多材料成本。本文提供一個能在真空輔助樹脂轉注成型製程中實時檢測缺陷的方法，當樹脂灌入模腔中，往往會同時伴隨著交聯反應的進行，此時樹脂會放熱，這樣熱影像儀就被動地收到溫度的變化圖，也就是說若有缺陷存在於產品中，其表面就會因熱傳速率不均一而出現溫度差，同時在熱影像上就會呈現缺陷的位置與大小。為了確認缺陷是存在肉眼不可見之產品內部，拍攝時會同時採用熱影像儀與攝影機兩種設備，之後再用一系列的影像處(Image processing)理方法來解決像是沒對齊、噪點(Noise)等問題，接著將缺陷面積與時間作圖，若未來需要，可利用將統計過程控制(Statistical Process Control)來實現自動化。最後為了驗證實驗正確性，使用Moldex 3D軟體照著實驗參數做一次模擬，得到相同的結果。 在本文的第二部分中，基於現今電子裝置的製作重心在於更輕薄，一種無核芯(coreless)的基版技術被研發及發展、稱為嵌入式基板(Embedded Trace Substrate, ETS)，並廣泛應用於各式電子產品。然而，此種設計因為不同材料間的相異的物理性質會有嚴重的缺陷，例如在回焊過程(Reflow soldering)中，會有一段加溫降溫過程，此時銅和其他材質就會因為不同的熱膨脹係數而造成翹曲，進而影響後續封裝製程(package processing)。近年來，有限元素分析法(Finite Element Analysis, FEA)是一種受歡迎且有效的方法幫助研究人員預測板彎翹曲和機械性質的研究。生產者可以應用有限元素方法去模擬基板的改良設計，以及能提供一個特定的翹曲數值滿足後續開發所需。儘管如此，對於高精度的模擬需耗費龐大的計算成本，因此，如果必須多次執行模擬研究，則模擬研究將成為漫長而艱鉅的任務。在此篇論文中，透過ANSYS軟體提出了三種等效方法來降低有限元素法分析的時間與難度，並設計出三種不同的案例來預測板彎翹曲。有別於傳統透過不斷try and error或是實驗設計法(DOE)，需要透過大量實驗來得到較佳的翹曲結果，本文提出的方法結果顯示與實際實驗相符且精準。若將來能將此方法運用於工業上，使得在封裝製程的預處理步驟中，能直接藉由參數的調整進行板彎翹曲的優化，減少不必要時間及材料成本，並加速產品上市時間。
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