無電鍍NiP析鍍於矽基材及應用於生長奈米碳纖之研究

Abstract

本研究針對pH 5.2∼4.2，P含量為10.7∼20.3 at％的無電鍍NiP，在矽基材的析鍍行為、析鍍機制以及鍍層的結晶形態，做一深入徹底的探討，使用FESEM與AFM觀察NiP鍍層之表面形貌影像， TEM進行NiP鍍層之橫截面影像及晶格影像觀察，並以EDS進行成份分析。另外，利用20.3 at％ P含量的無電鍍NiP合金做為催化金屬，以MHCVD法生長CNFs，探討CNFs的生長形態、結構以及場發射性質。 實驗結果顯示，操作溫度65∼90 ℃，P含量10.7∼20.3 at％的無電鍍NiP，在矽基材的鍍層結構均呈柱狀結構，其析鍍反應機制為電化學機制，10.7 at％ P含量的NiP鍍層在65∼90 ℃之析鍍速率為5.62∼26.02 mm/hr，析鍍活化能為16.66 Kcal mole-1。15.2 at％ P含量的NiP鍍層在65∼90 ℃之析鍍速率為2.56∼18.72 mm/hr，析鍍活化能為18.99 Kcal mole-1。20.3 at％ P含量的NiP鍍層在65∼90 ℃之析鍍速率為1.37∼12.49 mm/hr，析鍍活化能為22.13 Kcal mole-1。無電鍍NiP鍍層之結晶性的觀察結果顯示；Ni原子的有序排列範圍隨P含量增加而減小，P含量從10.7 at％增至20.3 at％，有序排列範圍大小約從8 nm降至1.5 nm。 以無電鍍NiP為催化金屬所生長之CNFs呈彎曲形貌，纖體內部具泡狀空孔，CNFs的成長速率和NiP催化合金的厚度有關，增加NiP合金的厚度會使CNFs的成長速率降低，CNFs的直徑隨著催化合金膜厚的增加而增加。Raman光譜的分析結果，以NiP合金膜為催化金屬所生長之CNFs，具有相當程度的結晶化，HRTEM的晶格影像顯示，CNFs為多壁的奈米碳纖，纖體由含有缺陷之平行石墨層所構成，並且與纖體軸向呈一傾斜角度。膜厚20 nm的NiP催化合金膜所生長之CNFs，起始電場約為0.11 V/μm，門檻電場約為3.1 V/μm，最高電流密度約可達32.8 mA/cm2。膜厚30 nm和40 nm的NiP催化合金膜所生長之CNFs，其起始電場幾乎相同，約為0.22 V/μm，但其門檻電場分別約為3.4和4.1 V/μm，而其最高電流密度分別可到達30.1 mA/cm2和23.7 mA/cm2。