陳逸聰臺灣大學：化學研究所邱慧珊Chiu, Hui-ShanHui-ShanChiu2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/51714本論文將討論碳奈米螺旋線繩(carbon helical nanowires)之製備方法、生長機制、結構分析、光譜特性及其力學應用。製備的主要方法是化學沉積法，令碳氫氣體與金屬催化劑交互作用，於高溫下裂解沉積產生。實驗結果顯示，利用鎳板及銅奈米顆粒當催化劑，鎳板裂解乙炔，藉由銅奈米顆粒旋轉，將產生直徑50至300 nm之碳螺旋線繩，其週期長度與線徑的比例，與理論計算之緊密堆積理想線繩(helical close packings of ideal ropes)結果相符，可歸類為扭轉繩索(twisted rope)。在本實驗中，所有螺旋線均為雙方向同時生長，螺旋線繩以銅奈米顆粒為生長原點，並成鏡像對稱，往兩邊析出，兩側螺旋形態具相反掌性。高解析度電子顯微鏡影像顯示碳螺旋線繩為短序石墨構造(graphite-short-range-ordering)。 本實驗亦研發了Y分叉型螺旋線繩的製備方法，在生成過程中，改變碳原子於銅奈米顆粒表面擴散速度，再加上顆粒表面特有的晶面分部比例，導致部分晶面被覆誚荌惜貕吨ヾA誘使雙方向生長之螺旋線自發性地合併為單一奈米線，其構造細節將於論文中被討論。另外，我們亦利用化學沉積法，在具有圖騰的基材上合成碳螺旋線繩，這些碳螺旋線繩以頂部生長方式突出於方形小島之上，有些螺旋橫跨兩個金屬小島，提供了發展電子連接元件的應用潛能。 次外，我們利用化學分析影像能譜儀、拉曼光譜等儀器，分析碳螺旋線繩之表面特徵以及碳質結構。由碳的1s軌域結合能譜結果，可知其表面由石墨結構、微晶結構共同組成、並且擁有少販arboxyls官能基表現；拉曼光譜顯示石墨的 特徵峰(G band)以及無序特徵峰(D band)，論文中將討論其雙共振拉曼散射現象，並藉由不同激發光源研究其電子能帶結構，提供微奈米材料應用上之參考依據。致謝……………………………………………………………….……..II 摘要…………………………………………………………….…..…...III 目錄…………………………………………………………………......IV 圖目錄………………………………………………………………..…IX 表目錄………………………………………………………………...XIV 第一章、 序論…………………………………………..………….….1 1-1 奈米碳纖維緣起…………………………………………...1 1-2 碳纖維生長機制…………………………………………...3 1-2.1 蒸氣-液體-固體(生長模型)…………………………..…3 1-2.2 表面擴散生長機制………………………...…………….4 1-3 碳奈米螺旋線的幾何構造………………………………...5 1-4 實驗流程摘要…………………………………………...…6 第二章、 實驗方法…………………………………………………....7 2-1 基板的準備……………………………………………..7 2-1.1 銅箔處理程序………………………………………...…7 2-1.2 銅網處理程序………………………………………...…7 2-1.3 圖騰佈置程序………………………………………..…8 2-1.4 粉墨狀基材製備……………………………………..….9 2-2 製成系統簡介……………………………………………10 2-3 分析工具簡介…………………………………..………..15 2-3.1 拉曼光譜儀……………………………………..……...15 2-3.2 能量分散式光譜儀……………………………..……...18 2-3.3 X光繞射儀……………………………………………18 2-3.4 穿透式電子顯微鏡…………………………………….19 2-3.5 掃描式電子顯微鏡…………………………………….20 2-3.6 原子力顯微鏡………………………………………….20 2-3.7 電子束蒸鍍機………………………………………….21 2-3.8 化學分析影像能譜儀 ………………………………..24 第三章、 分析與討論………………………………………………..26 3-1 碳奈米螺旋線的合成、結構分析………………………26 3-1.1碳螺旋線的型態結構與成分分析……………………..26 I. 引言………………………………………………….26 II. 碳奈米螺旋線的鏡像對稱特性……………………28 III. 碳奈米螺旋線的細微結構分析………………..…32 IV. 催化劑系統………………………………………...37 V. 結論………………………………………………....38 3-1.2 分叉型碳螺旋線的型態結構成分分析……………….40 I. 引言………………………………………………….40 II. 溫度效應……………………………………………42 III. 催化劑系統效應…………………………………..47 III(a). 銅箔…………………………………….….48 III(b). 具有銅圖騰的矽晶片………………….….49 IV. 應用與發展性……………………………………...52 3-1.3 成長機制探討………………………………………….53 I. 引言………………………………………………….53 I(a). 三度空間成長模型 I(b). 接觸角異向模型 I(c). 壓力張力模型 I(d). 不對稱催化劑顆粒模型 II. 催化劑顆粒晶面分析………………………………57 III. 碳奈米螺旋線之旋轉模型….…………………….58 IV. 分叉型碳奈米材料………….……………………..61 V. Y-分叉型碳奈米螺旋線之核心結構分析………….61 VI. Y-分叉型碳奈米螺旋線之生長模型…...…………65 VI(a). 溫度 VI(b). 碳原子濃度 VI(c). Y-分叉型碳奈米螺旋線之不對稱生長模型 VII. 結論……………………………………………….70 3-1.4 碳螺旋線的排列與堆積特性………………………….71 I. 引言……………………………………………….…71 II. 密集堆積螺旋之數學推導………………………....72 III. 奈米螺旋之結構參數分析……………………..…75 IV.碳奈米螺旋的結構均勻度………………………….80 V. 碳奈米螺旋角度分析 …………………………..…81 3-1.5 規劃碳螺旋線的生長圖騰…………………………….83 I. 引言………………………………………………….83 II. 膜厚度之影響效應………………………………....84 III. 發展與應用………………………………………..88 IV. 合成壓力曲線分析………………………………...88 3-2 碳奈米螺旋線之光譜特徵…………...………………….91 3-2.1 化學影像分析能譜…………………………………….91 I. 引言………………………………………………….91 II. 結果分析……………………………………………92 II(a). C1s能譜分析 II(b). Si2p能譜分析 III(c).O1s能譜分析 3-2.2 拉曼光譜…………………………………………….....96 I. 拉曼光譜－低頻區…………………………….…96 II. 拉曼光譜－高頻區………………………………97 III. 雷射激發波長效應……………………………..98 3-3 碳奈米螺旋管…………………………………………..103 3-3.1 結構與分析…………………………………………...103 3-3.2 結果與討論…………………………………………...106 第四章、 結論………………………………………………………109 參考文獻………………………………………………………………11119684810 bytesapplication/pdfen-US碳螺旋線碳奈米螺旋線奈米螺旋碳奈米線carbon nanowireshelical nanowirescarbon helical nanowiresthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/51714/1/ntu-93-R91223034-1.pdf