鈮摻雜之微結構組織比較

本實驗利用五氯化鈮作為前驅物配置含鈮溶液，並將含鈮溶液塗佈於 一次陽極氧化過後之非結晶相二氧化鈦奈米管上，而後進行 450℃退火處 理使二氧化鈦進行相轉變形成銳鈦礦相，期望鈮摻雜進入二氧化鈦奈米管 結構之中改變其電性，以得到更加良好之光電極材料。

4.2.1 鈮摻雜前後之二氧化鈦薄膜微結構組織比較

文獻中之鈮摻雜多數使用水熱法來進行實驗，在鈮摻雜完成之前，鈦 原子尚未形成二氧化鈦分子，而是以含鈮與含鈦之前驅物進行共水解，由 於本實驗室具備製備二氧化鈦奈米管陣列之技術，為使鈮摻雜於二氧化鈦 之益處能夠融入本實驗室之技術，本實驗之鈮摻雜採用嘗試塗佈含鈮溶液 於非結晶相之二氧化鈦奈米管上之方式來進行，塗佈之參數為10 μl/cm²， 塗佈後經退火 450℃處理，並比較有無加入鈮之表面形貌、側面形貌，其 表面形貌 SEM 影像如圖 4.4 所示，其側面形貌如圖 4.5 所示。

1. 不同濃度鈮摻雜之表面形貌

根據 SEM 之正面低倍率影像可以看出於摻雜鈮之後，其奈米管表面 有多餘的粒子因為未進入奈米管內而沉積於奈米管表面，粒子阻擋而無法 判斷奈米管形貌，因此規劃下一步實驗對其表面多於粒子進行清理。

圖 4.4 摻雜鈮後表面 SEM 影像

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2. 鈮摻雜前後之側面形貌

為了確保鈮摻雜是否會影響到整體薄膜生長之厚度，需以 SEM 拍攝 摻雜鈮前後之側面形貌，摻雜前後之管長數據如表 4.4 所示，摻雜前後之 側面形貌 SEM 如圖 4.5 所示。根據 SEM 側面影像可以發現，鈮摻雜前所 製作出之二氧化鈦奈米管薄膜為17.06 μm，摻雜之後則為 16.81 μm，其管 長並無明顯差異，僅有在奈米管薄膜之上之粒子殘留，然而這種狀況會在 清理表面時被去除，因此可以確定鈮摻雜對於二氧化鈦奈米管薄膜之厚度 並無影響。

表 4.4 摻雜鈮前後奈米管管長數據比較

狀態 未摻雜 摻雜鈮

管長 17.06 μm 16.81 μm

(a) 未摻雜 (b) 摻雜鈮

圖 4.5 不同濃度之 SEM 側面影像：

(a) 未摻雜；(b) 摻雜鈮

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4.2.2 震洗鈮摻雜之二氧化鈦薄膜前後表面形貌比較

對於摻雜鈮之二氧化鈦奈米管薄膜，由於其表面有沉積眾多粒子，為 了避免影響電解液以及光線進入奈米管之暢通程度，將對其表面粒子進行 清理，本實驗嘗試以震洗作為清理方式，塗佈之參數為10 μl/cm²，震洗方 式為使用頻率 30 Hz、功率為 30 %，每次進行震洗 1 秒共 3 次，清理成果 如圖 4.6 所示。

根據震洗清理之 SEM 表面影像可以得知，震洗能夠有效的將表面附 著之粒子去除，並且不易對二氧化鈦奈米管薄膜表面做出更多的破壞，故 後續實驗將會以震洗作為清理表面多餘粒子之手段。

(a) 高倍率 (b) 低倍率

圖 4.6 清理表面前後表面 SEM 影像：

(a) 高倍率；(b) 低倍率

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4.2.3 不同濃度鈮摻雜之二氧化鈦薄膜形貌比較

為了瞭解不同濃度之鈮摻雜對於二氧化鈦之影響，本實驗將溶液塗佈 的溶液量做變化，將溶液量以5 ~ 20 μl/cm²，間隔每5 μl/cm²作為實驗參 數，並對其不同濃度之表面形貌、側面形貌進行比較。

以 SEM 拍攝四種參數之表面形貌，而表面形貌 SEM 如圖 4.7 所示。

根據 SEM 表面影像可以發現不同濃度鈮摻雜之二氧化鈦奈米管薄膜，其 二氧化鈦奈米管陣列之孔徑並未有所改變，皆接近原本未摻雜鈮時之孔徑 目標 100 nm，因此可以得知在不同濃度之鈮摻雜對於奈米管陣列之孔洞並 無影響。

5 μl/cm²之 SEM 表面影像 10 μl/cm²之 SEM 表面影像

15 μl/cm²之 SEM 表面影像 20 μl/cm²之 SEM 表面影像 圖 4.7 不同濃度之 SEM 表面影像

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