儀器設備與藥品
第三章 儀器設備與藥品
3-1 儀器設備介紹及基本原理
在本章節會介紹在原件製程所使用的儀器，及其基本工作原理。
3-1-1 高溫爐(Oven)
高溫爐是包含了加熱爐與比例-積分-微分控制器(Proportional Integral Derivative Control,PIA)，如圖 3-1，而本實驗所使用的加熱爐 為（Lindberg/Blue M, TF55035A）最高溫度可達約 1100℃，搭配升溫 程控（EUROTHERM,2416），可以控制欲升的溫度、升溫度的速率以 及調控降溫。反應腔體（Chamber）則使用外徑為 26mm，內徑為 22mm，
並且長度為 80cm 的石英管柱，因為石英的熔點大約在 2200℃左右，
又加上管壁有 4mm 的厚度，所以在高溫製程中，不需擔心管柱熔化 的問題。
圖 3-1 高溫爐
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3-1-2 恆定電位儀(Potentiostat / Galvanostat)
在進行PEC反應或在測試光電極效能時，需要記錄在不同偏壓下，
光電集所產生的光電流值作成LSV圖，在由此推出光電極的特性，而 恆定電位儀就可以幫助我們（AUTOLAB,The Netherlands）施加偏壓 並記錄下不同偏壓下所摻生的光電流，如圖3-2所示。
圖 3-2 恆定電位儀 (AUTOLAB)
3-1-3 銀/氯化銀參考電極
本實驗所使用的參考電極為Ag/AgCl其本身電位為0.266是由：
Mettler Toledo 公司出品，型號為InLab®302，如圖3-3所示，小圖為實 照圖，大圖為詳細規格。
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圖3-3 Ag/AgCl參考電極詳細規格
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3-1-4 氙燈與單光器(Xenon lamp and Monochromator)
球形氙指也稱“超高壓短弧氙燈”，燈內有高氣壓氙氣，在高頻高 壓激發下形成弧光放電。它是發光點很小的點光源，可放射出從紫外 到近紅外的強烈連續光譜，可見光區段的光色極近似於日光，發光頻 率高，色溫可高達近6000k，顯色性高。本研究所量測的光電性質，
以500W氙燈（Model 66901, Newport, USA）提供進行IPCE測試時的 入射光來源[22]如圖3-4。
圖3-4 Newport 500W氙燈
而 IPCE 的測定是可以測得在單一波長下的光轉換效率，因此想 要了解在不通波長下入射光對電極光電極的貢獻，必須在全波段的氙 燈前加入單光器，以光柵來限制投射到光電極的入射光波長，在經由
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恆定電位儀來增測不同波長下所產生的光電流值，其 IPCE 的裝置圖 如圖 3-5 所示。
圖 3-5 500W 氙燈與單光器 3-1-5 光功率計(Power meter)
在實驗中光電集所產生的光電流大小，與入射光強度相關，為了確保 每次數據的標準點是相同的，因此必須利用光功率計(Ophir Nova Laser Power and Energy Meter)，接受入射光，來測得不同波長下入射 光的光強度，其工作原理就是利用光電二極體(Photodiode)的光強度 與電流成正比的特性，其設備如圖 3-6、3-7 所示。
圖 3-6 光功率計之光接收器
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圖 3-7 光功率計
3-1-6 808nm 單光雷射
本實驗中所使用的光源為 808nm 單光雷射，其使用雷射的原因 在下一章節會作更詳細的說明。808nm 單光雷射(MH-T808D)是使用 雷射二極體激發固態雷射(Diode Pump Solid State Laser,DPSSL)，而此 種雷射可以改善以往使用電弧燈激發雷射其激發效率不高的缺點，因 其可以降低熱透視效應，進而增加輸出功率及輸出光源的品質，而本 雷射還有附加光強度控制器，以方便在實驗時可隨心所欲的調控光強 度。裝置圖如圖 3-7。
圖 3-7 808nm 雷射與其控制器
第三章
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圖 3-8 XRD 原理 圖 3-9 本實驗所使用 X-光繞射儀
3-2.2 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM )
穿透式電子顯微鏡是利用高能電子束（一般約在 100 keV ~ 1 MeV）穿透厚度低於 100 nm以下之薄樣品，和薄樣品內的各種組織 產生不同程度之散射。散射後的電子以不同的行徑通過後續的透鏡組 合和透鏡光圈，形成明暗對比之影像，而這些明暗對比之微結構影像 是藉由螢光板來呈現。為了作深入的結構分析、針對特殊的材料結構 或缺陷，通常試片座會配備傾斜 (tilting stage) 的功能，可以作成多 重電子束繞射狀態 (multi-beam WB, diffraction condition)，或微弱電 子束繞射狀態 (weak beam, WB, diffraction condition) 來改善成像的 品質或加強對比。本實驗量測所用的穿透式電子顯微鏡是由日本 JEOL 公司所生產的 JEM - 2000FX，如圖3-10。[77]
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樣品處理:
取少量樣品以溶劑稀釋之，放置超音波震盪氣中震盪10分鐘，使 其均勻分佈後，將其滴在鍍有碳膜的銅網上，待其乾燥後，放置真空 皿乾燥一天，再放入儀器，以儀器觀察晶體的粒徑與型態。
圖3-10 穿透式電子顯微鏡
3-2-3 掃瞄式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM ) 掃瞄式電子顯微鏡 (SEM) 的主要工作原理為電子鎗透過熱游 離或是場發射原理產生高能電子束，經過電磁透鏡組後將電子束聚焦
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至試片上，再利用掃瞄線圈偏折電子束並偵測二次電子及背向散射電 子成像且可以在試片表面上做二度空間的掃瞄，來觀察物體的表面型 態。利用掃瞄式電子顯微鏡的優點在於試片製作較簡單，解析度可達 奈米尺度且景深長，在觀察材料表面形貌上非常清楚而容易，如圖 3-11[77]。
樣品製備：
將粉末及薄膜樣品取極少量於具有導電功能的碳或銅膠帶上，
並固定黏貼在特製的鋁盤上，置入儀器。當解析度不佳時，於待測樣 品表面濺鍍上薄薄一層金屬 (Ex： Pt、Au)，再進行其樣品的表面型 態測定。
圖 3-11 掃描式電子顯微鏡
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3-2-4 紫外光-可見光-近紅外光吸收光譜儀( UV / Visible / NIR
Absorption Spectrometer )
紫外光-可見光-近紅外光吸收光譜可用來偵測軌域中之電子被激 發而產生躍遷的情況，所以吸收峰的波長就和物質內的電子結構有關 連。紫外光-可見光-近紅外光吸收光譜，可以測量並分析樣品的吸收 度 (Absorbance) 與穿透度 (Transmittance)，實驗裝置如圖3-12所示，
通常樣品的濃度會與吸收度呈線性關係，可以由Beer’s Law表示A
=log P0/P(A：樣品的吸收度、P0：入射光的強度、P：穿透光的強度) 樣品製備：
將樣品稀釋至一定濃度後，放入石英 cell 中，待機器量測，波 長掃描範圍可從 200 nm 至 1600 nm[77]。
圖 3-12 紫外光-可見光-近紅外光吸收光譜儀
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3-2-5 拉曼光譜儀(Raman spectrometers)
拉曼光譜儀一種具有快速分析、高解析度且非破壞性的分析儀器，
利用雷射光（電磁波）打到樣品，導至分子振動，造成偶極矩產生變 化，其偶極子會轉動發射電磁波，也就是測量光子撞擊物質後所產生 的散射波長。而我們實驗室所使用的光譜儀為 HORIBA iHR550 spectrum 搭配 Symphony CCD 偵測器。如圖 3-13。
樣品製備：
將樣品舖至矽晶片上，並確保膜的完整性。
圖3-13 拉曼光譜儀
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3-2-6 傅立葉紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy)
傅立葉紅外光譜儀簡稱 FTIR，可分為近紅外光、中紅外光和遠 紅外光。遠紅外光能量低，可以用於旋轉光譜學。中紅外光可以用來 研究基礎振動和相關的旋轉-振動結構。更高能量的近紅外光可以激 發泛音和諧波振動。紅外光譜法的工作原理是由於振動能級不同，化 學鍵具有不同的頻率。共振頻率或者振動頻率取決於分子等勢面的形 狀、原子質量、和最終的相關振動耦合。為使分子的振動模式在紅外 活躍，必須存在永久偶極的改變。共振頻率經過一次近似後同鍵的強 度和鍵兩頭的原子質量聯繫起來。這樣，振動頻率可以和特定的鍵型 聯繫起來。其實驗裝置在圖 3-14。
圖 3-14 傅立葉紅外光譜儀
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3-3 藥品與器材
名稱 化學式 廠牌
Iron(Ⅱ) chloride FeCl2 Alfa Aesar
Sulfur S Acros
Oleylamine CH3(CH2)14CHCHCH2NH4 Acros
Oleic acid
CH3(CH2)7CHCH(CH2)7CO OH
Aldrich
1-Octadecene CH2CH(CH2)15CH3 Acros Chloroform CHCl3 Mallinckrodt Acetonitrile CH3CN Alfa Aesar 1,2-Ethanedithiol C2H4(SH)2 Acros
Ethanol CH3CH2OH 島久藥品
FTO 透明導電玻璃 F:SnO2 世光國際
Ti-Nanoxide T/SP TiO2 Precursor Solaronix 鐵氟龍膠帶 Teflon tape 3M®
Nitrogen N2 豐明
表 3-1 本實驗所使用藥品與器材清單