實驗結果與討論

4-1 陽極氧化處理與蝕刻過程

本實驗就是利用在固定電壓下，利用鉻酸(1.5wt%)與磷酸(6wt%) 等比例的混合液，去蝕刻不同時間；並暫時不考慮氧化鋁溝槽的週期 比例，與磨刷過後水平配向的結果。專注討論經過不同蝕刻時間處理 後，改變陽極處理氧化鋁薄膜的厚度且能夠使液晶分子垂直排列的部 份。

由於文獻中有提到不同的電解液，會有不同最佳化電壓可以獲得 到一個孔洞整齊排列的最佳化條件。所以在這裡我們使用濃度 3wt%

的草酸並配合 40V 的定電壓，在 500nm 厚度的鋁膜下，經過ㄧ次陽極 處理後，開始蝕刻改變氧化鋁薄膜的厚度。

而由於在氧化還原電解的過程裡，水溫的高低便會很直接的影響 到電解液內離子的反應速率。圖 4-1-1 就是在 40V 電壓下，不同水溫 時，氧化作用所得到的電流曲線 。 40V 的電壓下，陽極氧化鋁在電 流 21mA 時開始穩定的生成，當所有的鋁氧化成氧化鋁後電流便會趨 近於零，且在越高溫時反應越快。因此為了維持氧化鋁一定的品質，

在此一系列的 AAO 樣品全部維持電解液在 12℃下製作，以確定所有

氧化鋁品質的一致性。

在處理完氧化的過程後，立即清除去表面殘餘的電解液也是非常 重要的，因為殘餘的電解液草酸，也是會蝕刻氧化鋁的液體，所以在 處理完氧化過程後立即清洗也是非常重要的一個步驟。

接著進入到蝕刻的步驟，在這裡我們用的蝕刻液其實以 AAO 的製 作中是非常強的。ㄧ般而言都適用在 remove 的過程裡，並不常用於 擴孔或是控制厚度，但是在這裡為了延續學長利用這樣的蝕刻液製做 氧化鋁溝槽，所以我才會繼續選擇這樣的蝕刻液繼續蝕刻。再來我們 開始將蝕刻液溫控到 60℃，保持這樣的溫度等待穩定，為了不要受 到每次加熱造成蝕刻速率的不同，我們必須ㄧ次處理完一系列的樣 品，包含用來觀察 SEM、光譜等等的試片都將ㄧ起準備之，以確定我 們之後所觀察到的結果跟組成樣品之 SAMPLE 都是在一樣的條件下製 作，去除不必要的誤差。

4-2 利用 SEM 觀察氧化鋁表面結構 孔洞大小與厚度

在開始要觀察處理好的氧化鋁薄膜結構時，因為考慮我們本身的 玻璃基板與氧化鋁薄膜本身都是不導電的絕緣體，所以為了能得到清 晰的影像，除了一般在表面鍍上一層白金當導電膜，我們更加上了一 層碳膠，以提高導電性，讓我們能更清楚的觀察到表面的結構。

圖 4-2-1 就是經過一次陽極處理後，再蝕刻不同時間得的樣品表 面的結構圖。從直接一次陽極處理開始，起初我們沒有明顯的孔洞結 構，然後開始蝕刻 1.5 分鐘、2 分鐘、2.5 分鐘…一直到 6 分鐘。我 們發現從開始蝕刻後便出現明顯的孔洞結構而且隨著時間的增加孔 洞也開始擴大，這也就是一般大家所說 AAO 的擴孔作用。

這樣的製作重複兩次，分別由紅色與藍色兩個系列表示。

起初未蝕刻的部分孔洞直徑約 13nm，如圖 4-2-3 與之前學長在 40V、

一次陽極處理下所得到的數值也相當接近，隨著孔洞的擴大，並到蝕 刻 3 分鐘開始呈現飽和的現象，孔洞的大小都維持在 80nm，其孔洞 大小也比學長在相同電壓(40V)下二次陽極處理來的大。

再回到 SEM 的表面結構上來看，當蝕刻超過 3.5 分鐘後，六腳晶 格的結構也開始慢慢的被破壞至不完整。

這時我們利用 SEM 所拍攝到的側面結構，如圖 4-2-4 所示，並與 表面結構部份交叉比較我們發現在隨著蝕刻的時間增加 AAO 的厚度 並沒有之前預期的有一個明顯減少的線性趨勢，反而是側邊的孔璧越 來越，薄柱狀的結構也越來越明顯，到後來甚至因為管壁太薄造成斷 裂的現象(如圖 2.5 分鐘、3 分鐘)，一直到 3.5 分鐘時，大部分的管 狀結構都已斷裂，也只有在這個時候薄膜的厚度有一個很明顯變薄的 現象。

圖 4-2-5 就是蝕刻不同時間所得到的厚度關係圖。當然這樣的傾 倒現象是否真的是因為管壁太薄而自己倒塌造成的，或著是因為拍攝 SEM 時利用鑽石刀頭破片，而破壞了表面的結構呢？圖 4-2-6 是表示 同一片試片 500nm 鋁、在 40V 電壓、蝕刻 3 分鐘下所拍攝到的影像，

在這裡我們很明顯的發現在表面部份 AAO 的柱狀結構已經成一撮一 撮的倒塌，在配合側面的影像，所以我們便能確定 AAO 的結構不是因 為破片時的接觸而毀損，所有的傾倒都是因為本身管壁太薄支撐力不 足而斷裂造成的。

4-3 光譜儀量測結果

在使用 500nm 的鋁膜與 40V 定電壓下，經過一次陽極處理後，蝕 刻不同時間，且表面處理完成的單片玻璃基板置於光譜儀下開始進行 光譜量測。

首先，我們先以空氣當成參考基準，使用勝華光電所提供，鍍有 ITO 薄膜(約 100nm)的玻璃，當成我們的玻璃基板。如圖 4-3-1，在 單純 ITO 玻璃在波長 400~1000(nm)時，平均的穿透率為 85%左右；

接著，在鍍有 ITO 玻璃的背面，我們處理過利用相同電壓，一次陽極 處理後，蝕刻時間不同依序為 0、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6 共 9 筆 數 列 。 而 單 從 穿 透 率 來 看 並 沒 有 非 常 明 顯 的 差 異 ， 在 波 長 400~1000(nm)時，穿透率都是在 55%~70%之間的範圍內上下震盪；因 為薄膜干涉的關係，我們發現單純 ITO 基板是 2 次震盪，而未經過蝕 刻過的陽極氧化鋁薄膜是 4 次震盪，而且隨著增加蝕刻時間震盪的現 象也跟著減少；1.5 至 3 分鐘時是 3 次震盪，3.5 分鐘之後都維持在 兩次，與只有純 ITO 時相同，在這裡也再一次的驗證 SEM 的結果，氧 化鋁薄膜在蝕刻 3 分鐘到 3.5 分鐘之間有劇烈的斷裂現象。且在 3.5 分鐘後的樣品都是在具有相同的震盪次數下，穿透率有些許的上昇。

由於我們是以 ITO 玻璃為基板，雖然對於所有氧化鋁薄膜的處理

都在無 ITO 膜的玻璃表面，但擔心 ITO 薄膜本身是否會被蝕刻液所蝕 刻而造成光譜穿透的改變，所以如圖 4-3-2 所示單純 ITO 玻璃基板量 測在不同蝕刻時間下之光譜穿透情形。以空氣為參考點波長 450nm 時 穿透率差異最大，以蝕刻 0、2、4、6 分鐘來說每一間格相差 1%，而 除此之外穿透光譜比率皆相當接近。

在考慮完不同蝕刻時間後，我們使用了不同的基板與延伸波長，

以來了解在各不同情況下光譜的穿透情形。如圖 4-3-3 所示在這裡使 用了 3 種基板分別是 Fused silica、勝華提供的 ITO 玻璃、洗去勝 華提供的 ITO 玻璃的 ITO，分別鍍上 500nm 鋁膜，做一次陽極反應的 處理。

從結果看來 Fused silica 本身從 UV 至 IR 與其他基板相比都有 很好的穿透率；與勝華提供的玻璃特別在 UV 波段時有很大的差異，

而在加上處理好的氧化鋁後，穿透率是有些衰減，但與原本的基板相 比較陽極處理薄膜在 UV 與 IR 波段本身並無特別的吸收現象。

4-4 液晶樣品在正交片下之配向結果

根據之前實驗的步驟，我們把陽極處理與蝕刻完成的樣品清洗乾 淨後並裁切成 2×1cm²，上下兩片基板對夾，並放入 mylar 當 spacer (因 為考慮之後量測 Polar Anchoring Strength 時樣品所需的臨界磁場 與厚度成一次方反比關係，所以選擇厚度較為厚 23μm 的 mylar 當 spacer) ，量測空樣品的 cell gap 後灌入液晶 (Merck 5CB) ，並加 熱至 60℃在自然回溫到室溫。

將完成的樣品放於正交的偏光片下觀察並用相機紀錄，而下面圖 4-4-1、圖 4-4-2、圖 4-4-3，分別是樣品長軸與其中一片正交片平行、

再將樣品旋轉 45 度、以及在旋轉 45 度下傾斜一個角度，使用三種不 同觀測角度，記錄下了這一系列樣品。

在這裡我們討論的是用一次陽極處理製作好的 AAO，在蝕刻不同 時間下，薄膜基板組成樣品的垂直配向能力，而在根據第二章原理部 份，我們知道水平樣品在正交的偏光片下平放與旋轉一角度會有明亮 的變化；而垂直樣品則是呈現暗態與旋轉的角度無關，只有在樣品傾 斜一個角度下才出現明亮的改變。

接著根據上述的水平與垂直樣品的特性，開始觀察樣品。從直接 一次陽極處理的樣品開始，沒有發現任何的配向效果。從蝕刻 1.5 分

鐘開始，正交片光片下平放與旋轉樣品雖然沒有強烈的明暗對比，但 是卻仍有明顯的明暗變化；蝕刻 2、2.5、3 分鐘則成功的出現了完 整且均勻的垂直配向，接著繼續延長蝕刻時間到 3.5 分鐘，樣品僅剩 下小部份的垂直配向，並在超過 4 分鐘之後由正交偏光片的觀察便 沒有出現任何的配向效果。

4-5 旋轉樣品穿透率之量測結果

由上節的結果我們發現，在蝕刻 1.5 至 3 分鐘這段時間內分別出 現了液晶分子類似水平排列與垂直排列的現象。由於這樣的結果我們 分別拿實驗室裡最常使用的磨刷水平配向膜(Polyimide)與鍍有垂直 配向膜(DMOAP)的液晶樣品，量測並與 AAO 薄膜樣品比較在正交偏 光片下，使用He-Ne Laser 旋轉樣品量測穿透率之結果。

首先我們先比較水平樣品(PI 與蝕刻 1.5 分鐘)的部份，因為在 水平樣品亮態時所感受到的光強度會受到不同液晶層厚度(Phase Retardation)而影響了光強度，所以我們分別記錄 PI 與 AAO 樣品在 單片偏正片下所得穿透率強度當作各別強度的最大值。得到不同的最 大值後，便開始旋轉樣品量測在正交偏光片下的強度變化；如圖 4-5-1 便是歸一化後的結果。PI 樣品以正弦函數的形式變化，且穿透率在 0-80%內震盪是非常典型的水平樣品結果，而 AAO 部份則也以正弦函 數的形式變化，但穿透率則是在 5-40%間震盪可以看出在明亮對比部 份就沒有這麼明顯。

在垂直樣品部分，因為均是呈現暗態，所以樣品厚度造成的光強 度的改變便可不去考慮；直接以未放入樣品前在正交偏光片下所量到 的值開始為基準(0%)；取平行偏光片與正交偏光片下，分別所量測得