第一章绪论-国立交通大学机构典藏首页.PDF

第一章 緒論 1.1前言 材料於一維的奈米尺度下，依形狀可分奈米帶、奈米棒、奈米管、奈米線， 而這些材料具有一些特殊性質： 1、長度/直徑比例極大：長度/直徑比很大，可達數百到數千，是理想的ㄧ 維系統，而電子和電洞的移動被限制在一度空間。 2、量子效應：當奈米線直徑小到10nm，電子被拘束在小空間內產生量子化 效應，且效應隨直徑變小而增大，會改變發射光的能量。 3、高載子遷延率：在一維系統中載子散射現象會被壓抑，使遷移率增加， 提高元件運作速度。 4、高表面積，當物體由3維變2維到1維時，因寬和高變成在奈米尺寸內， 其原子表面比例大為增加，對於一些表面相關現象，如催化、氣體分子分解等速 率可以增加，因此如氣體感測、催化、發光等現象在奈米草會顯示增強的效應。 奈米材料的機械性質是設計、製造上的重要依據，當所探討的材料尺寸範圍 由毫米縮小至微米或奈米尺度之下，材料的機械物理特性，如材料的硬度、彈性 係數、摩擦係數、抗磨耗性等，因表面效應、小尺度效應及量子效應影響，使用 傳統巨觀理論無法完美解釋材料在奈米尺寸的行為模式，所以奈米尺度下之機械 性質分析，是奈米材料發展中極重要的一個課題。 奈米材料與非結晶材料有許多共同且優異的特性，結晶材料的組成分子、原 子的排列具有一定的規律性，而非結晶材料則欠缺此種規律性。所謂排列上的規 律性，是指從原子與分子的層級來看，可以找出一種排列上重複的模式，也就是 1 具有一再重複的單元，而奈米材料也有此特性，奈米材料原子及分子的排列是不 規則的，但因為這種界面排列上的缺陷，造成奈米材料特殊不同的性質，奈米材 料與非晶材料有共同特性，電阻率高、磁感應強度高、頻率特性好、抗腐蝕性強 等，這些特性，來自於本身特殊的組織結構，由於這特殊的組織結構，奈米材料 與非晶材料之變形機制與一般材料有很大之不同，其變形行為也會影響機械性 質，因此材料在奈米尺度下之變形機制觀察與分析非常重要，本研究計畫希望藉 由奈米壓痕儀(Nanoindentor)量測儀器來分析此矽奈米草於受力及變形行為，再 配合理論計算，修正奈米物體受力在量測上的誤差。 在現有的奈米壓痕設備中，有兩種儀器可以提供壓痕試驗，一為奈米壓痕 儀，另一為原子力顯微鏡，但這兩種設備，只針對薄膜做壓痕測試，對於柱狀材 料是不準確的，因奈米壓痕儀因其鑽石探針子為Berkovich壓頭，為三面角錐 狀，曲率半徑為100到200奈米，圖1-1[1]，當施負載時，因為三面有斜度的 錐體，奈米草每根受力不同，且壓痕時位找移以第一接觸的奈米草開始算，而奈 米草並非每根為相同高度，所以計算出來的值是不正確的，因此以電子顯微鏡去 尋找壓痕位置，以壓痕形貌、大小、受力去判斷真實的受力面積及位移，配合力 學原理，最後修正奈米草量測的誤差。 圖1-1 Berkovich鑽石探針SEM照片[1] 2 1.2 研究動機 近年來奈米材料被廣泛的使用，相關的研究也引起一陣熱潮，但這些研究多 集中在電子元件奈米化、奈米生物科技、或是奈米光機電設計，鮮少有對奈米結 構機械性質的分析，尤其是奈米柱的機械性質，量測出來的值也不知其正確性， 其原因之一為現有之量測儀器有其使用上之尺度限制，本研究擬以現有分析儀器 對奈米草的強度進行量測並對其量測誤差作探討，因材料結構接近奈米尺寸時， 性質會發生很大的改變，以材料應用來看，機械性質扮演很重要的角色，在材料 應用前皆要經過機械性質的驗證。 壓痕技術被廣泛應用在測定薄膜材料的模數、硬度等機械性質，但也被應用 在奈米線的機械性質上，由於奈米壓痕技術理論上只能對薄膜或塊材的機械性質 做量測，對線材一定有誤差，奈米草直徑僅數十奈米甚至更小，壓痕尖端的形狀 尺寸，對奈米結構有相當大的影響，如何修正這些尺度造成的誤差是本研究的主 要目的。