CHAPTER1 奈米科學與技術之基本概念

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1、第3章奈米材料之製備Chapter3奈米材料之製備3.1氣相法3.2液相法第3章奈米材料之製備材料的某一維尺寸介於1~100奈米大小時，即被稱之為奈米材料。依照其具奈米尺度的維度之不同，奈米材料可分為零維奈米材料(如圖3.1所示之量子點及奈米晶粒等)、一維奈米材料(如圖3.2所示之奈米管、奈米線及奈米柱等)與二維奈米材料(如圖3.3所示之量子井、奈米薄膜及奈米多層薄膜等)。P61第3章奈米材料之製備3.1氣相法3.1.1前言以氣相合成法於基板上成長零維奈米材料與二維奈米材料之機制可以如圖3.4所示。採用傳統用來論述薄膜成長機制之模式來描述之。1.Frank-Merwe層狀

2、模型：2.Volmer-Weber島嶼模型：3.Stranski-Krastanov模型：第3章奈米材料之製備3.1.2化學氣相沉積(ChemicalVapourDeposition,CVD)利用含有構成鍍層之元素的一種或多種化合物之氣體，於氣相或在基板表面上，發生化學作用而生成所需求之固體薄膜在化學氣相沉積系統中沉積薄膜或奈米材料主要發生之步驟如下：1.以熱裂解、光或電漿等方式產生具反應性之氣相物種。2.此反應性氣相物種被輸送至反應器。3.這些先驅物種在氣相中進行氣相均相反應，產生中間相物種。(1)在高溫區進行氣相均相反應產生粉末。(2)低溫區產生之中間相物種，以擴散方式進

3、入基板上方之邊界層。第3章奈米材料之製備4.中間相物種吸附於基板上，非均相反應發生於氣固界面，產生生成物及氣體副產物。5.基板上之生成物於加熱之基板上擴散至有利的位置，進行成核及成長。6.氣體副產物以擴散方式離開邊界層(boundarylayer)。7.未反應之氣相物種及副產物被輸送至反應器外。P65第3章奈米材料之製備P66通常將上述反應步驟再劃分四種不同反應速率控制機構：1.熱力學控制：2.表面動力學控制：3.質量傳送控制：4.成核控制：第3章奈米材料之製備3.1.3電漿(Plasma)電漿是由部分游離的氣體，其中包括離子、電子、自由基及中性原子或分子所組成。電漿中帶正

4、負電荷的粒子電荷數相等，因此就整個系統而言，電漿具有電中性之特質。P67,68第3章奈米材料之製備3.1.4物理氣相沉積法(PhysicalVaporDeposition,PVD)物理氣相沉積法中，如圖3.13所示，氣相物種經由蒸鍍、濺鍍及離子蒸鍍等方法分別產生後，在氣相中會發生碰撞及解離等程序，爾後到達基板凝結成核，進一步成長形成奈米結構材料。圖3.14為三種物理氣相沉積法之反應器示意圖。物理氣相沉積法必須於真空系統中進行，真空環境可使反應系統中的氣相污染降低，因此可獲得高純度之奈米結構材料。真空蒸鍍法：藉由各種不同之加熱方式如電阻式、電子束及雷射加熱等將之氣化，相較於

5、濺鍍法及離子蒸鍍法，真空蒸鍍法有設備及操作簡單的優點。第3章奈米材料之製備分子束磊晶成長法：是一種較精緻的物理氣相沉積法，此法需要一超高真空腔體，當在此超高真空環境中，粒子之平均自由路徑較腔體的尺寸大時，蒸發源蒸發出之所有元素將形成束狀。如圖3.17所示分子束磊晶成長法，可精確有效地控制多層磊晶薄膜之層厚至單一分子層之水準，因此，此製程非常適合發展奈米結構之電子或光電元件。P72第3章奈米材料之製備濺鍍法：為解決沉積速率緩慢之缺點，可採用磁控濺鍍將靶材附近的離子密度提高。P73第3章奈米材料之製備P733.1.5一維奈米結構之成長bottomup方式成長一維奈米結構材

6、料的方法主要可分為以下兩大類：1.VLS(vapor-liquid-solid)法：廣泛應用於鬚晶之成長。2.模板(template)輔助成長法：分為AAM(anodicaluminamembranes)輔助成長法及界面活性劑輔助合成法兩類第3章奈米材料之製備3.2液相法3.2.1前言以液相法製備奈米材料，產品的種類與變化性多，也比較容易量產。其基本的化學原理與製備塊材並無不同，最主要的差異在於前者對形狀、組成、粒徑及預防凝聚等方面的控制有明顯較高的需求。常用來製備奈米材料的液相法，除了濕式珠磨法屬物理法外，其餘皆為化學法。微乳化(microemulsion)技術與模板

7、合成(templatesynthesis)技術則主要在提供奈米級的合成環境，因此可在其中進行各種不同原理的反應。第3章奈米材料之製備3.2.2濕式珠磨法濕式珠磨法主要是利用研磨介質碰撞時所產生的碰撞力與分散液間所產生的剪切力來分散粒子造成粒子分散的力量來源包括六種：(1)介質正面撞擊的壓縮力；(2)同方向運動，但具速度差之碰撞的碰撞力；(3)同方向平行等速運動的剪切力；(4)同方向平行非等速運動的剪切力；(5)任意方向之碰撞的剪切力與碰撞力；(6)研磨介質旋轉的碰撞。典型的珠磨機如圖4