第二章 文獻回顧
2.5. 濺鍍系統簡介
2.5-1 射頻磁控濺鍍系統簡介
固體表面受到帶有高能量的粒子(受電埸加速的正離子)的衝擊，固體表面的 原子、分子等從帶有高能量粒子取得運動能(量)，由固體表面被擊出(落)，這種 現象稱濺鍍(Sputtering)。
圖2-8:濺鍍原理示意圖。
濺鍍系統依使用電源可分成直流濺鍍與射頻濺鍍兩種，射頻磁控濺鍍法是目 前濺鍍系統的主流，其結構乃是在靶材的背面具強磁性，使靶材表面至邊緣間產 生平行的洩露磁場，靶材表面擊出二次電子，沿著Lorentz 力所形成 E×B 的封閉 軌跡之運動。射頻濺鍍一般應用在絕緣靶材上，其使用頻率約13.56 MHz 之交流 電場在靶材上來進行濺鍍，且會在靶材上產生一自生偏壓以維持電漿。另外，由 於濺鍍一般為了提升鍍率，會在高真空下進行，然而氣體分子的減少也造成遊離 率降低，若能將二次電子侷限在靶材表面，並且增加電子行近距離使與氣體分子 的作用增加，以產生更多電漿，則鍍率也會因此提升，因此通常會依靶材用途不 同而加上不同型式之磁場即使在低壓力下也可以產生大電流密度的放電，濺鍍速 率被大幅提高。由文獻指出[71]藉由射頻磁控濺鍍系統，於10-1 Pa，以 500 V 的電 壓可產生約100 mA/cm2的電流密度，其薄膜堆積速率最大可達5 µm/min，且以 濺鍍法製備薄膜可達極高的均勻度，故此為本篇研究選擇濺鍍法製備觸媒層的原 因。
2.5-2 濺鍍法合成觸媒層文獻回顧
利用濺鍍法製作陽極催化層，可將催化劑僅放置在電池的三相反應區 中[72]，如圖2-14 所示，充分利用所有的催化劑，並且可依濺鍍時間將觸媒 的使 用量控制在數十微克(µg)左右[73]，為一將其中不可或缺的貴金屬合金觸媒使用量 最小化之有效方法。
圖2.9:理想的三相介面與與觸媒示意圖[72]。
S. Y. Cha et al.[74]確認了濺鍍法在製作膜電極上的應用，他們利用重複 濺鍍約50 Å 的 Pt、以及在之後塗上混有 Nafion 與 XC-72 之漿料，發現電 池的效能有所提升，並且電池的功率密度提昇至用傳統方法所製作之氫-空氣電池的90 %，而僅需使用 10 %的鉑用量，然而此製程由於必須在真 空系統下操作，且需要較為繁瑣的製作程序，因此並不適用於大面積的製 造。C. K. Witham et al.[75]使用鉑與釕的混合粉體作為靶材，在直接甲醇燃 料電池的膜電極組上進行濺鍍，因而獲得催化劑用量約為0.03~1.0 mg/cm2 之觸媒層，當PtRu 用量約為 0.03 mg/cm2時，其功率密度約可達75 mW/cm2，根據此得知，在260 至 380 mA/cm2之電流密度下，其單位重量 所能獲得之功率密度約為2300 mW/mg。
T. H. Andrew et al.[76]利用在不同的基材(固態電解質薄膜、氣體擴
散層、以及膜電極組)上沉積鉑作為催化劑以進行比較，其中發現鍍在氣體 擴散層上可獲得最佳之催化效能。另外 Y. K. Xiu 等人[77]對於Nafion 及碳 材支撐的觸媒層的研究，其結果發現，在 Nafion 上進行濺鍍可能會造成其 阻抗增加，反而有所不利，此研究也發現，濺鍍法對於厚度的改變量相當 敏感，且電極與電解液之間的反應面積為一重要參數。
M. Alvisi et al.[78]利用濺鍍之方式，將鉑濺鍍在塗佈有PTFE 與 XC-72