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中文摘要 ---I 英文摘要 ---II 目錄 --- IV 表目錄 --- VII 圖目錄 --- VIII

一. .. 緒論 --- 1

1.1 ..起源 --- 1

1.2 ..研究背景 --- 1

1.3 ..研究方法與目的 --- 2

二. . 基礎理論與文獻回顧 --- 3

2.1 ..奈米碳管的結構 --- 3

2.2 ..奈米碳管的性質 --- 4

. 2.2.1 場發射特性 --- 4

. 2.2.2 機械性質 --- 5

. 2.2.3 導電性 --- 5

. 2.2.4 熱穩定性、熱導性及熱膨脹性 --- 6

2.3 ..奈米碳管的製備方式 --- 7

. 2.3.1 電弧放電法 --- 7

. 2.3.2 雷射剝削法 --- 8

. 2.3.3 化學氣相沉積法 --- 9

2.4 ..奈米碳管的成長機制 --- 10

. 2.4.1 碳經由催化劑擴散 --- 10

. 2.4.2 碳經由催化劑表面擴散 --- 11

2.5 ..奈米碳管於電子產業之應用 --- 11

2.6 ..電漿的基本原理 --- 12

. 2.6.1 電漿的產生 --- 12

. 2.6.2 電漿的碰撞 --- 13

..2.6.1-1 離子化 --- 13

2.6.2-2 激發與鬆弛碰撞 --- 14

2.6.2-3 分解 --- 14

.2.6.3 電漿的應用 --- 15

- IV -

.2.6.4 電漿反應過程 --- 15

.2.6.5 電漿蝕刻過程 --- 16

2.7 ..奈米碳管之電漿後處理 --- 16

三. 實驗方法與分析--- 27

3.1 實驗流程--- 27

3.2 實驗與分析儀器--- 28

3.2.1 實驗材料 --- 28

3.2.2 實驗儀器 --- 28

. 3.2.2-1 微波電漿化學氣相沉積系統 --- 28

3.2.3 分析儀器 --- 29

. 3.2.3-1 掃描式電子顯微鏡--- 29

. 3.2.3-2 穿透式電子顯微鏡--- 29

. 3.2.3-3 原子力顯微鏡--- 30

. 3.2.3-4 傅利葉轉換紅外線分析儀--- 31

. 3.2.3-5 X-光光電子能譜儀--- 32

. 3.2.3-6 熱脫附光譜儀--- 33

3.3 實驗步驟--- 34

3.3.1 試片準備 --- 34

3.3.2 電漿處理 --- 35

3.3.3 試片分析 --- 35

四. 實驗結果與討論--- 47

4.1 不同電漿處理觀察--- 47

4.2 不同緩衝層上成長奈米碳管--- 48

4.3 奈米碳管電漿後處理現象觀察--- 48

4.3.1 掃瞄式電子顯微鏡表面與縱切面分析--- 48

4.3.2 傅利葉轉換紅外線分析儀鍵結能量分析--- 49

4.3.3 X 光光電子能譜儀電子能量鍵結分析 --- 49

4.3.4 熱脫附光譜儀熱脫附分析 --- 50

4.4 電漿處理對碳管表面現象之影響--- 51

4.5 結構中奈米碳管與電漿後處理結果--- 53

五. 結論 --- 69

- V -

六. 參考文獻 --- 70

- VI -

表目錄

表 2.1 製備奈米碳管方式比較 --- 26

表 2.2 奈米碳管特性整理表 --- 26

表 3.1 掃瞄式電子顯微鏡系統規格表 --- 42

表 3.2 穿透式電子顯微鏡系統規格表 --- 42

表 3.3 原子力顯微鏡規格表 --- 43

表 3.4 紅外線光譜頻譜位置 --- 44

表 3.5 X-光光電子能譜儀規格表--- 44

表 3.6 熱脫附光譜儀規格表 --- 45

表 4.1 前處理與奈米碳管成長試片編號表 --- 68

表 4.2 前處理後試片表面平均粒徑表 --- 68

表 4.3 電漿後處理參數表 --- 68

表 4.4 CF₄與CF₄/O2電漿處理後碳管長度變化整理表--- 68

- VII -

圖目錄

圖 1.1 碳管於內連線應用之示意圖(a)於介質孔中

(b)電漿處理後削短--- 2

圖 2.1 碳的四種結構(a)石墨(b)鑽石(c)C₆₀(d)奈米碳管 --- 17

圖 2.2 單層奈米碳管結構示意圖。(a) armchair 碳管； (b) chiral 碳管；(c) zigzag 碳管---17

圖.2.3 以二維石墨平面向量表示奈米碳管結構 --- 18

圖 2.4 電弧放電法設備圖 --- 18

圖 2.5 雷射氣化法設備圖 --- 19

圖 2.6 化學氣相沉積法設備圖 --- 19

圖 2.7 碳經由催化劑擴散成長機制示意圖 --- 20

圖 2.8 碳經由催化劑表面擴散機制示意圖 --- 20

圖 2.9 電漿生成示意圖 --- 21

圖 2.10 離子化碰撞示意圖 --- 21

圖 2.11 碰撞後電子呈現激發態示意圖 --- 22

圖 2.12 激發態電子鬆弛後發光示意圖 --- 22

圖 2.13 分解碰撞示意圖 --- 23

圖 2.14 電漿反應的過程-成長機制--- 23

圖 2.15 電漿反應的過程-物理現象--- 24

圖 2.16 電漿反應的過程-清洗作用--- 24

圖 2.17 電漿蝕刻的過程-鍵結破壞--- 25

圖 2.18 電漿蝕刻的過程-結構損壞--- 25

圖 3.1 實驗規劃流程圖 --- 36

圖.3.2 掃瞄式電子顯微鏡 --- 37

圖 3.3 穿透式電子顯微鏡 --- 37

圖 3.4 原子力顯微鏡 --- 38

圖 3.5 原子力顯微鏡-(a)接觸式 (b)輕敲式 (c)非接觸式 - 38 圖.3.6 X-光光電子能譜儀--- 39

圖 3.7 X-光光電子能譜儀-成像原理--- 39

圖 3.8 熱脫附光譜儀 --- 40

圖 3.9 熱脫附光譜儀-反應原理 --- 40

圖 3.10 熱脫附光譜儀-反應時間與電位關係圖--- 41

圖 3.11 熱脫附光譜儀-反應分子原理關係圖--- 41

- VIII -

圖 4.1 試片經氫電漿前處理後之掃描式電子顯微鏡圖 --- 54

圖 4.2 試片經氫電漿前處理後之原子力顯微鏡圖 --- 54

圖 4.3 試片表面經氫電漿處理後之 TEM 圖 --- 55

圖 4.4 試片成長奈米碳管後之掃描式電子顯微鏡圖 --- 55

圖 4.5 CF₄與CF₄/O2電漿處理前奈米碳管表面形貌--- 56

圖 4.6 CF₄電漿處理後奈米碳管表面形貌 --- 56

圖 4.7 奈米碳管在不同時間於 300W之CF₄/ O2電漿處理 後表面形貌(a)2min (b)5min (c)10min --- 57

圖 4.8 CF₄/ O2電漿處理後表面蝕刻形貌--- 58

圖 4.9 CF₄/ O2電漿處理後表面蝕刻-20nm --- 58

圖 4.10 CF₄/ O2電漿處理後表面蝕刻--5min --- 59

圖 4.11 CF₄/ O2電漿處理後表面蝕刻--5min-20nm --- 59

圖 4.12 CF₄/ O2電漿處理後表面蝕刻--10min --- 60

圖 4.13 CF₄/ O2電漿處理後表面蝕刻--10min-20nm --- 60

圖 4.14 奈米碳管經CF₄與CF₄ +O2電漿處理後長度變化 --- 61

圖 4.15 奈米碳管經CF₄/O2電漿處理後之FTIR分析圖 --- 61

圖 4.16 氟原子 XPS 分析曲線圖 --- 62

圖 4.17 氟原子 TDS 分析曲線圖--- 62

圖 4.18 碳原子 XPS 分析曲線圖 --- 63

圖 4.19 碳原子 TDS 分析曲線圖--- 63

圖 4.20 氧原子 XPS 分析曲線圖 --- 64

圖 4.21 氧原子 TDS 分析曲線圖--- 64

圖 4.22 F-O 原子在 TDS 的比較分析圖--- 65

圖 4.23 F-C 原子在 TDS 的比較分析圖 --- 65

圖 4.24 C 原子在 CF4 的 XPS 的比較分析圖 --- 66

圖 4.25 CF₄-O2-All的比較分析圖 --- 66

圖 4.26 CF₄-O的比較分析圖--- 67

圖 4.27 CF₄-C的比較分析圖 --- 67

- IX -