緩衝層之材質與厚度對於觸媒輔助成長單壁碳奈米管之影響

Abstract

本研究為利用微波電漿化學汽相沉積系統(MPCVD)，探討緩衝層之材質與厚度對於觸媒輔助成長單壁碳奈米管(SWNTs)之影響。選用的觸媒有Co與Fe，反應氣體為氫氣與甲烷，以及緩衝層材料包含ZnS-SiO2、Si3N4、TiN 、Al2O3、AlN及AlON等，其厚度範圍在5-20 nm。對於製程中緩衝層材料之初鍍膜、觸媒輔助之碳結構與SWNTs的特性，使用原子力顯微鏡(AFM) 、X-ray繞射(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、高解析穿透式電子顯微鏡(HRTEM)、拉曼光譜儀(Raman spectroscopy) 和場效發射I-V量測儀等儀器來分析。由實驗結果可得到下列結論: 碳奈米結構及其成長機制主要和下列製程參數有關: 緩衝層、觸媒之材質與厚度以及沉積條件。以鋁基材作為緩衝層(e.g. Co catalyst)或者氫電漿前處理後之觸媒粒子很小(e.g. Fe catalyst)，都具有觸媒輔助成長SWNTs的優勢。以Co觸媒而言，其生成SWNTs的趨勢為 AlON ≒Al2O3 > AlN，AlON( 10 nm) > AlON( 20 nm) > AlON( 5 nm)；Fe觸媒則是AlN >Al2O3。由於鋁基緩衝層的影響，基本上是幫助Co觸媒粒子表面形成奈米級的突起作為成核點而成長束狀SWNTs，因此有最佳的緩衝層厚度。Co觸媒與鋁基緩衝層輔助成長SWNTs的機制為根莖成長機制(root-growth mechanism) ，形成單一粒子表面生成多束SWNTs的形貌；Fe觸媒則為Baker成長機制，形成一些由不同粒子所構成的束狀SWNTs。 關於沉積條件對合成束狀SWNTs的影響，有最佳沉積壓力(~23 Torr for Co catalyst)以及最佳CH4/H2流量比(1.5/200 sccm/sccm for Fe catalyst)的條件。高壓或高CH4/H2流量比，基本上是提供更多碳源去形成更多非晶質碳，使奈米級的突起或微小的觸媒粒子易於毒化，因此降低了SWNTs的生成。對於Co觸媒來說，低壓(<16 Torr)提供的碳源較少以及溫度亦較低，所以觸媒表面突起位置能成長SWNTs的量就減少了。在Fe觸媒方面，由於氫電漿前處理後之粒徑很小，低CH4/H2流量比(<1.5/100 sccm/sccm)使微小粒子被非晶質碳毒化的機會少，因此可以形成更多SWNTs。除此之外，緩衝層對於碳結構之場發射性質而言，無顯著的影響。