1-1 前言
人類對於微觀世界的追求探討，已經進入奈米（10-9m）尺度的 階段，奈米結構材料的研究，也越來越深入且廣泛。近年來奈米結構 材料的製作，常常利用大範圍的奈米結構模板作為成長的基材，藉此 以得到高密度的奈米管線。奈米結構之模板通常是指具有多孔性之材 料，且其孔洞大小大都落在奈米尺度範圍。使用模板來製備奈米結構 材料，由於可藉由調控模板的孔洞大小、孔洞分佈、孔洞的深寬比與 孔洞的表面特性，來達到生產具有特殊結構與均一性之材料。得到具 有奈米級孔洞的模板的方法有兩種，一為利用天然材料的結構，如礦 石、黏土、石棉和蛋白石等；另一方法為以人工合成方式。人工合成 方式又可分成有機及無機兩類，有機模板一般為高分子材料組成之高 分子模板；無機模板則為奈米中孔洞(mesopore)沸石、多孔矽(porous silicon)[1-2]，與金屬氧化物模板等。而在金屬氧化物模板中，陽極氧 化鋁(anodic aluminium oxide；AAO)利用其自我組構的特性成長孔 洞，形成高密度堆積的六角形(hexagonal)孔洞結構，為一種自我排列 的奈米多孔性模板。它具有大小均一的孔洞，並且能隨著需求而改變 孔徑的大小，從數十至數百nm都可以達到[3]，並可形成大面積的奈米
被應用於成長奈米結構材料。
而目前大部分的AAO薄膜為直接成長在鋁箔或鋁片上[4]，但AAO 薄膜的熱不穩定特性對上述製程造成會嚴重的影響。在以AAO薄膜 輔助成長奈米碳管的熱處理過程中，由於AAO薄膜和鋁基材膨脹係 數的差異，AAO薄膜容易發生破裂的情況；而直接在矽基材上成長 AAO薄膜便不會有這種問題的發生，進而可承受各種後續製成的處 理。
而在各種模板技術的應用上，如何讓材料源沉積到模板奈米孔洞 內部是一項重要的課題。本研究嘗試製備出各種不同深寬比的AAO 模板，對後續沉積材料至奈米孔洞中有很大的幫助。並且調整孔洞間 距，進而可以得到不同密度的奈米結構材料陣列。此外，在很多元件 應用上如感應器及光學、電子元件，選區成長多孔性模板技術是很重
要的[5-6]，如果能利用選區模板成長奈米碳管形成三極體(triode)元件
[7-8]，將可更進一步把奈米碳管應用到場發射顯示器以及微電子元件
上，因此本研究也對AAO模板的選區成長非常有興趣。
自從Iijima 先生在1991 年發現奈米碳管[9]，許多研究團體就 對於不同的奈米碳管成長方法有著極大的興趣[10-13]，在這些方法中以 電弧放電法[61]以及利用熱裂解碳氫氣體[14-16]的方式可以得到大量的 碳管，然而利用這些方式所得到的奈米碳管通常都是雜亂且不規則的
成長，而限制了之後奈米碳管的應用，因此，對於目前奈米碳管成長 方法首要是必須先克服碳管的成長方向與密度。目前對於控制碳管的 成長方向已有幾種模板技術可以應用,如多孔矽基板與AAO模板等，
而AAO模板技術便是其中一種簡單易行的方法。由於碳原子在觸媒 金屬內部由下而上的擴散傳送現象且受AAO管壁侷限，可以產生大 量自我對準(self-oriented)的奈米碳管，因此可以控制奈米碳管垂直於 基板表面。
除了奈米碳管，另有很多的奈米結構材料被拿來研究其場發射特 性，以期望能應用到場發射元件上，如氧化銥(IrO2)[17]、氧化鋅(ZnO)
[18-19]、硫化鉬(MoS2) [20]以及氧化鈦(TiOx)[21]等，其中以AAO 為模板
製作出的氧化鈦奈米點陣列，表現出不遜於奈米碳管的場發射特性。
因此本研究也嘗試利用AAO 模板配合陽極氧化法，製作出不同成分 的奈米結構材料，希望將來能在其場發射特性上有所收穫。
1-2 研究動機
在奈米結構材料的發展與應用上，能精確控制尺寸大小、生長方 向，且具有周期性排列是必須面對的課題。除了一連串複雜的黃光、
微影、蝕刻製程之外，模板技術便是達到此要求的捷徑之一。其中，
陽極氧化鋁(AAO)模板技術，同時具有高深寬比、大面積製程簡單的 優點，在成長奈米結構材料製程上，具有許多令人讚賞的特色。在之
前對AAO 模板的研究中，很多都是在鋁片或鋁箔上成長 AAO，但由 於鋁與氧化鋁熱膨脹係數的差異，此類模板對熱處理的忍受度很差，
限制了應用範圍；此外，這類以鋁為基材的AAO 模板也不能直接應 用在半導體製程中。因此，本研究將朝向在矽基材上成長AAO 模板，
並控制其孔洞參數以提升AAO 模板的應用範圍努力。在本研究中，
藉由改變不同的陽極處理條件達到控制AAO 這種多孔性模板的各項 參數，如孔洞大小、孔洞密度與深寬比。更進一步利用簡單的黃光微 影及蝕刻等半導體基本製程，達到選區的效果。如此一來，具備各種 不同參數的鋁陽極處理模板便可輕易製成，不同排列參數的奈米結構 材料也就可孕育而生。
近年來平面顯示技術因市場殷切需求而蓬勃發展，其中場發射平 面顯示技術是一項具有多優點的顯示技術，很多研究嘗試利用奈米碳 管這種具有高場發射特性的材料作為場發射顯示元件，但大部分研究 中其合成碳管的製程溫度偏高(600oC 以上)[22-24]，受限於玻璃的耐熱 性質(500oC 上下)，無法直接在玻璃基板上製作奈米碳管場發射元 件。因此本研究嘗試利AAO 模板輔助生長奈米碳管，並盡量降低製 程溫度，且對其場發射性加以研究，以期望在場發射平面顯示技術上 能有些許貢獻。在奈米碳管生成上，本研究有別於其他研究使用各種 電鍍法沉積觸媒至AAO 孔洞底部，直接使用簡單的薄膜製程(以
Sputter 沉積 Ni 催化層)完成此一目的，節省了不少實驗流程，且成功 使用thermal CVD 系統在低溫下(500oC)成長奈米碳管以利於後續場 發射平面顯示器製程溫度的控制，並對其場發射性質加以量測與研 究，以及製程氣體流量對碳管生長及性質的影響。此外，除了奈米碳 管，本研究使用AAO 模板技術配合陽極氧化法，成長另一奈米結構 材料TaOx奈米柱陣列，未來將量測其場發射性質，提供除了奈米碳 管之外，另一種場發射元件材料的選擇。