纳米材料导论课件.ppt

气相法 物理气相沉积法---雷射蒸发法 雷射蒸发法主要原理与电弧法相似，最大的不同乃是以高能雷射取代电弧放电的功能。图9 即为雷射蒸发法合成纳米碳管装置的示意图。此法中，是将含有金属触媒(如：钴、镍等) 的石墨靶材，放置在约1 英寸的石英玻璃管中，再将此管放置于高温反应炉中。于1200℃ 充满惰性气氛(如：500 torr氩气) 的环境下，以高能脉冲雷射(如：Nd YAG Laser) 对焦石墨靶材而使其表面的碳材蒸发。随着炉管中高温区域惰性气体的快速流动，蒸发的碳随即被带往炉体外末端的圆锥型水冷铜上沉积，沉积物再经萃取精炼后可得纳米碳管 通常，此法所得的纳米碳管直径分布在5-20 nm，管长可达10 um 以上。较一般Arc 法所合成的纳米碳管纯度高、杂质少；最大的优点在于可产制大于70% 以上的单层纳米碳管。 气相法 物理气相沉积法---高周波感应加热 1970 年代初便已开发出来用作高性能磁带用纳米粉体的制造。其特色是 (1).进行蒸发的溶液温度可保持一定 (2).溶液内的合金成份均匀性良好 (3).能以安定的输出，运转长时间 (4).可大量工业化生产。 气相法 物理气相沉积法---电子束加热 电子束加热法目前主要用于高熔点物质的纳米粉体的制造上。1973 年Iwama等人即以此法制造了Bi、Sn、Ag、Mn、Cu、Mg、Fe、Fe-Co、Ni、Al、Zr 等超威粒子(16)。以Cu 为例，50V / 5mA 电子束的功率，于66 Pa 的Ar 气中，其1 分钟可得50mg 的微粉。在N2 或NH3 气氛中，蒸发Ti 则可得到10nm 的TiN 立方晶纳米粉体。而Al 在NH3 中蒸发则可得到 AlN 粉体，但在N2 气中则无法生成。这样的制程实则属于化学气相沉积的范围。 气相法 物理气相沉积法---溅射法（Sputtering） 此法普遍用于半导体制程化合物薄膜的形成。其原理为阳极Ar 气中辉光放电所产生的离子冲击阴极靶材表面时，使靶材原子飞出，在真空中气相成核-成长为纳米级颗粒进而于基材上沉积为纳米薄膜的方法。此方法蒸发靶材原子的过程，不像上述气相沉积法需将靶材加热并熔解。另目前也采用电弧或电浆的方式冲击溅镀靶材使其表面熔化而原子溅镀出来以生成纳米粒子。溅射法制造纳米粒子的优点有： (1).不需熔融用坩埚，可避免污染 (2).溅镀靶材可为各种材料 (3).可形成纳米薄膜 (4).能通入反应性气体形成化合物纳米材料 (5).能同时使用多种靶材材料而生成纳米复合材料。 气相法 化学气相沉积法---催化剂化学气相沉积法( Catalytic Chemical Vapor Deposition ; CCVD ) 图10 为其装置示意图。首先，将乙炔（或甲烷等）为主的碳氢化合物气体通过一置有催化剂的高温石英炉管，这些气体因受高温金属催化剂的作用将产生裂解，因而生成碳原子且吸附在金属颗粒的晶面上。而因晶面上温度或浓度梯度的关系致使碳原子往其内部进行扩散，使得过饱和之碳持续在金属颗粒的某结晶面上析出，进而堆积-成长成中空的纳米级碳管。图11 为纳米碳管成长机制的示意图。 获得之碳管直径约在25~130nm 间，碳长可达60um 以上。此法改善了电弧放电法中碳管短、低产率及较高制造成本的缺点 气相法 化学气相沉积法---微波电浆触媒辅助电子回旋共振化学气相沉积法(ECR-CVD) 微波电浆触媒辅助电子回旋共振化学气相沉积法(ECR-CVD) 利用CH4及H2 为反应气源，成功地合成大面积(4吋直径) 且具定向性的纳米碳管。使用的触媒材料包括Fe、Ni、Co 颗粒及CoSix 膜和Ni 膜等。沉积生成的纳米结构材料包括:纳米碳管、藤蔓状碳管、海草状纳米碳片、花瓣状纳米碳片及碳膜等。制程之关键因素包括:触媒的种类及其施加方式、基材的偏压和温度、沉积的时间以及反应气体中氢气的含量等。而生成的纳米碳管直径与触媒颗粒的大小则有密切的关系，直径一般可在20.80nm左右；管长则与沈积时间有关，约在1.3μm 间；管数密度由触媒浓度及施加方式所控制，其每平方公分的管数最高可近一亿根（108 tubes/cm2），且是垂直于基板成长，长度也相当一致。 图12(a)及(b) 为本制程成长之典型纳米碳管的SEM 影像；图12(c)及(d) 则为典型海草状纳米碳片的SEM 影像；图12(e)及(f) 则分别为以钴及镍触媒颗粒成长的纳米碳管TEM 影像。在场效电子发射特性方面，目前此制程最佳者为以Co 触媒成长的纳米碳管，此碳管在5.3 V/μm 电场下，场效发射电流密度可达32 mA/cm2，临限电场E