實驗原理

成之孔洞型氧化鋁(Porous Anodic Oxide；PAO)，也稱為陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide；AAO)[16]，其中孔洞大小為奈米尺度，所以受到相當大 的矚目。本實驗就是利用酸性電解液形成之孔洞型氧化鋁進行研究與討論。

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2-1-1 阻障型氧化鋁

當電解液為中性時，鋁在陽極氧化過程中，如圖 2-1-1 所示，受到電場 的影響，使得氧化反應產生的Al^3，以及在電解液中的

OH

^、

O

^2分別往反 方向擴散，造成在電解液/氧化物介面以及氧化物/金屬介面上同時有陽極氧 化鋁的生成，形成一層緻密的氧化鋁膜，也就是阻障型(barrier type)氧化鋁。

2-1-2 陽極氧化鋁

在酸性電解液中所進行的陽極氧化，鋁會氧化成為所謂的孔洞型氧化 鋁，並且因為在氧化的過程中，鋁反應成為氧化鋁後體積會膨脹，所以在 互相擠壓的應力下，會使得孔洞自動形成六方最密的孔洞排列。因為孔洞 型氧化鋁有許多優異的特性，受到廣泛的注意與研究，所以在文獻上，往 往直接將孔洞型氧化鋁稱之為陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide；AAO)。

如圖 2-1-2 所示，AAO 的結構包含兩個部分，位在底部的氧化層為無 孔 洞 之 氧 化 鋁 層 ， 一 般 我 們 稱 它 作 阻 障 層 (barrier layer) ， 厚 度 約 10 100 nm，在這裡請注意，此處所指的阻障層(barrier layer)是孔洞型氧化 鋁的一部分，不可與阻障型(barrier type)氧化鋁混淆。而在阻障層上方，則 是由均勻大小之六角形圓桶狀氧化鋁緊密填充所形成，這些晶胞所擁有的 孔洞方向皆與鋁的表面垂直，而在孔洞底呈現一個 U 形凹槽狀，在圖中

D

_P

6

7

8

9

10

推測氧化鈦具有高離子阻抗(high ionic resistivity)，阻止鈦離子與氧離子結合 形成氧化鈦，所以氧化鈦成長會逐漸趨緩，高度逐漸趨近一穩定值。

氧化鈦柱狀結構並非為純氧化鈦，由圖 2-1-8(b)所示，柱狀結構主要分 為兩層。經過成分分析，外部主要成分為氧化鈦(

TiO

_x)，核心部分主要為 鈦離子(

Ti

^N+)，分別以淡藍色與灰色表示。在氧化鈦外圍，又會有些許鋁離 子參雜其中，以

Ti Al O

_{x y} 的形式存在。

氧化鈦的高度與陽極氧化電壓有關。使用草酸( 0.3 M )當電解液時，若 陽極氧化電壓小於 40 V ，氧化鈦高度維持在約 60 nm；當大於 40 V 時，陽 極氧化電壓與氧化鈦高度有 0.65 GV/m (1.54 nm/V )的關係，代表當電壓上 升 0.65 GV 時，氧化鈦高度上升

1 m

，換句話說，當電壓上升1 V 時，氧化 鈦上升1.54 nm ，如圖 2-1-9 所示。SEM 觀測結果如圖 2-1-10 所示，陽極氧 化電壓分別為10 V 、 40 V 、117 V 。

11

12

 m  n    m   2 cos d 

2

 2 cos d 

1 (2-2-3)



2 1



2 cos cos

d n 

 

 

(2-2-4)

利用(2-2-4)式，



₁與



₂為兩極大值的角度，n 為此兩個極大值間的波谷數 目，由此即可算出空樣品的間隙厚度。

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2-3 液晶樣品預傾角量測原理

液晶分子的光軸(optic axis)與玻璃基板表面所夾的角稱為預傾角。預傾 角的大小會影響到液晶元件的表現，因此預傾角的量測是非常重要的。本 實驗使用 Crystal Rotation Method 量測預傾角[20]，原理如下：

液晶分子可以視為一個長形的單軸分子，且具有雙折射(birefringence) 性質，因此入射光進入到液晶元件中時，入射光會分為兩道光：尋常光 (ordinary ray，簡稱 o-ray)和非尋常光(extraordinary ray，簡稱 e-ray)，液晶分 子對應此兩道光的折射率分別為

n 與

_o

n

e

  

，為 e-ray 行進方向與液晶分子 光軸(optic axis)所夾的角。

首先推導這兩道光的相位延遲(phase retardation)。在考慮預傾角的情況

14

cos tan tan

e ray e

cos tan tan sin cos

o ray e ray

15 由 Jones Matrix Method 水平配向液晶樣品可得到[21]

 

16

sin cos cos

cos sin 1 sin

n 為液晶分子的非尋常折射率(extraordinary refractive index)，

e

n 為液晶分子

_o 的尋常折射率(ordinary refractive index)，



_x為有最大相位延遲的入射角，也 就是

^I   ^

^對

^

^{作圖中的對稱點。}

將



_x帶入(2-3-14)，因為

n 、

_e

n 均已知，解此方程式即可得到預傾角

_o



。

17

18

cos sin cos

sin cos sin

cos sin

sin cos sin cos

in kd

sin cos sin cos

in kd in kd

19

20

在文檔中 液晶在五公分陽極處理氧化鋁薄膜上之配向研究 (頁 18-34)