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研究生: 張瀚丞
Chang, Han-chen
論文名稱: 在HF水溶液中氧化劑和溫度對矽奈米線形成速率及微結構之影響
Effects of oxidizing agents and temperature on the formation rate and microstructure of Si nanowires fabricated in aqueous HF solutions
指導教授: 林文台
Lin, Wen-tai
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 矽奈米線氧化劑氟化氫
外文關鍵詞: HF, Si nanowires, oxidizing agents
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  • 本研究為探討在15~50℃,10~40分鐘不同氧化劑如AgNO3、Fe(NO3)3以及H2O2之HF水溶液對銀顆粒催化蝕刻矽奈米線形成速率及微結構之影響。矽奈米線的長度隨著蝕刻時間增加以及蝕刻溫度的增高而增長。ㄧ般來說,矽奈米線陣列在HF、HF/Fe(NO3)3以及HF/AgNO3水溶液中較為平整,但是在HF/H2O2水溶液中則會產生參差不齊的現象。蝕刻時間在20分鐘以內時矽奈米線在不同溶液中之形成速率由小到大依次為HF、HF/Fe(NO3)3、HF/AgNO3、HF/H2O2,但是時間在30分鐘以上時,矽奈米線在HF/AgNO3溶液之形成速率變為最快。由TEM觀察,在矽奈米線表面發現許多奈米銀顆粒大小約為5~30nm。在蝕刻矽基板的過程中,這些奈米銀顆粒會同時催化蝕刻生長出來之矽奈米線。因此在HF/H2O2溶液中蝕刻反應速率最快造成矽奈米線表面的粗糙及斷裂,使得當時間超過30分鐘矽奈米線之形成速率會下降。在本研究當中,在HF/AgNO3溶液中生成矽奈米線其表面平順且有較高之形成速率。

    Effects of various oxidizing agents such as AgNO3, Fe(NO3)3, and H2O2 on the formation rate and microstructure of Si nanowires (SiNWs) by etching the Si substrates in aqueous HF solutions with the Ag catalyst at 15-50˚C for 10-40 min were studied. The length of SiNWs increased with the etching time and etching temperature. In general, the SiNW arrays fabricated in HF, HF/Fe(NO3)3, and HF/AgNO3 solutions, respectively, were smooth, while those fabricated in the HF/H2O2 solution were rough. For the etching time less than 20 min, the formation rate of SiNWs increased with the etching solutions in the sequence of HF, HF/Fe(NO3)3, HF/AgNO3, and HF/H2O2, whereas for the etching time longer than 30 min, that of SiNWs in the HF/AgNO3 solution became fastest. From TEM observation, many small Ag nanoparticles, 5-30 nm in size, were present on the surface of SiNWs. During etching of Si substrates, these Ag nanoparticles can simultaneously catalyze the electroless etching of SiNWs. Therefore, the fastest etching of Si in the HF/H2O2 solution rendered the SiNWs to be severely rough and readily broken, resulting in the decline of the formation rate of SiNWs at a time longer than 30 min. In the present study, the SiNWs fabricated in the HF/AgNO3 solution showed a smooth surface and a higher formation rate.

    本文目錄 中文摘要 I Abstract II 誌謝感言 III 本文目錄 IV 圖目錄 VI 第一章 簡介 1 1.1 前言 1 1.2 奈米材料 2 1.3 ㄧ維奈米結構 2 第二章 文獻回顧 4 2.1 化學蝕刻矽奈米線介紹 4 2.2 在HF/AgNO3溶液同時進行Ag顆粒沉積及奈米線之生成研究[31~34] 6 2.3 銀顆粒形貌對矽奈米線形成之影響 [34] 8 2.3-1 銀顆粒在矽基板上沉積 8 2.3-2 銀顆粒形貌對矽奈米線形貌之影響 9 2.4 其他金屬顆粒沉積及其對矽基板蝕刻之研究 [32,34] 10 2.4-1 無法沉積顆粒之金屬對矽基板之蝕刻 10 2.4-2 可形成沉積顆粒之金屬對矽基板蝕刻之研究 10 2.5 各種不同氟化氫水溶液化學蝕刻矽奈米線之成長機制[34] 12 2.5-1 HF水溶液中之反應機制 12 2.5-2 HF/AgNO3水溶液中之反應機制 13 2.5-3 HF/Fe(NO3)3水溶液中之反應機制[34] 13 2.5-4 HF/H2O2水溶液中之反應機制 14 2.6 其他各種不同生成矽奈米線之方法 15 2.6-1 化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)[35] 15 2.6-2 雷射蒸鍍(laser ablation) 17 2.6-3 熱蒸鍍法(thermal evaporation) 17 2.6-4 奈米線生長機制 18 2.7 研究動機與目的 20 第三章 實驗步驟與方法 21 3.1 實驗流程 21 3.2 實驗器材及藥品 22 3.3 實驗步驟 23 3.4 基板清洗與TEM試片製備 24 3.5 實驗分析 25 第四章 結果與討論 26 4.1 在不同氧化劑之HF水溶液中反應時間對矽奈米線形貌之影響 26 4.2 在不同氧化劑HF水溶液中反應溫度對矽奈米線形貌之影響 27 4.3 不同氧化劑對矽奈米線蝕刻速率之影響 28 第五章 結論 30 參考文獻 31 圖目錄 圖2-1 HF/AgNO3蝕刻機制示意圖 34 圖2-2 HF/Fe(NO3)3蝕刻機制示意圖 35 圖2-3 VLS機制示意圖 35 圖4-1矽基板沉浸於HF(4.6M)/AgNO3(0.01M)(a)10秒(b)30秒(c)1min(d)5min,使得銀離子還原沉積在矽基板表面生成Ag奈米顆粒之SEM影像。 36 圖4-2矽基板在沉浸於HF(4.6M)/Fe(NO3)3(0.135M)50min(a)25℃(b)50℃之SEM影像 37 圖4-3矽基板在沉浸於HF(4.6M)/Fe(NO3)3(0.135M)30min 65℃(a)橫截面(b)Tilt之SEM影像 37 圖4-4 矽基板在25℃HF(4.6M)水溶液中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min之SEM Tilt圖。 38 圖4-5 矽基板在25℃HF(4.6M)/Fe(NO3)3(0.135M)水溶液中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min之SEM Tilt圖。 39 圖4-6 矽基板在25℃HF(4.6M)/AgNO3(0.135M)水溶液中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min之SEM Tilt圖。 40 圖4-7 矽基板在25℃HF(4.6M)/H2O2(0.135M)水溶液中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min之SEM Tilt圖。 41 圖4-8 將試片放入HF(4.6M)水溶液中40min(a)15℃(b)25℃(c)40℃(d)50℃之SEM Tilt圖。 42 圖4-9 將試片放入HF(4.6M)/Fe(NO3)3(0.135M)水溶液中40min(a)15℃(b)25℃(c)40℃(d)50℃之SEM Tilt圖。 43 圖4-10 將試片試片放入HF(4.6M)/AgNO3(0.135M)水溶液中置於(a)15℃(b)25℃(c)40℃(d)50℃下40min之SEM Tilt圖 44 圖4-11 將試片放入HF(4.6M)/H2O2(0.135M)水溶液中40min(a)15℃(b)25℃(c)40℃(d)50℃之SEM Tilt圖。 45 圖4-12 將試片放入HF中15℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM橫截面圖。 46 圖4-13 為將試片放入HF中25℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 47 圖4-14 為將試片放入HF中40℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 48 圖4-15 為將試片放入HF中50℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 49 圖4-16 將試片放入HF/Fe(NO3)3中15℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 50 圖4-17 將試片放入HF/Fe(NO3)3中25℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 51 圖4-18 將試片放入HF/Fe(NO3)3中40℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 52 圖4-19 將試片放入HF/Fe(NO3)3中50℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 53 圖4-20 將試片放入HF/AgNO3中15℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 54 圖4-21 將試片放入HF/AgNO3中25℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 55 圖4-22 將試片放入HF/AgNO3中40℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 56 圖4-23 將試片放入HF/AgNO3中50℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 57 圖4-24 將試片放入HF/H2O2中15℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 58 圖4-25 將試片放入HF/H2O2中25℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 59 圖4-26 將試片放入HF/H2O2中40℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 60 圖4-27 將試片放入HF/H2O2中50℃中(a)10min(b)20min(c)30min(d)40min(e)10min plane view(f)40min plane view之SEM圖。 61 圖4-28 在15℃ 30min(a)純氟化氫水溶液當氧化劑(b)硝酸鐵當氧化劑(c)硝酸銀當氧化劑(d)過氧化氫當氧化劑之Plane view SEM圖。 62 圖4-29 在25℃ 30min(a)純氟化氫水溶液當氧化劑(b)硝酸鐵當氧化劑(c)硝酸銀當氧化劑(d)過氧化氫當氧化劑之Plane view SEM圖。 63 圖4-30 在40℃ 30min(a)純氟化氫水溶液當氧化劑(b)硝酸鐵當氧化劑(c)硝酸銀當氧化劑(d)過氧化氫當氧化劑之Plane view SEM圖。 64 圖4-31 在50℃ 30min(a)純氟化氫水溶液當氧化劑(b)硝酸鐵當氧化劑(c)硝酸銀當氧化劑(d)過氧化氫當氧化劑之Plane view SEM圖。 65 圖4-32 15℃下各種不同氧化劑蝕刻速率之比較圖 66 圖4-33 25℃下各種不同氧化劑蝕刻速率之比較圖 66 圖4-34 40℃下各種不同氧化劑蝕刻速率之比較圖 67 圖4-35 50℃下各種不同氧化劑蝕刻速率之比較圖 67 圖4-36 純HF溫度時間對蝕刻深度之示意圖 68 圖4-37 HF/Fe(NO3)3 溫度時間對蝕刻深度之示意圖 68 圖4-38 HF/AgNO3溫度時間對蝕刻深度之示意圖 69 圖4-39 HF/H2O2溫度時間對蝕刻深度之示意圖 69 圖4-40 在50℃ 30min(a)過氧化氫當氧化劑(b)硝酸銀當氧化劑(c)硝酸鐵當氧化劑(d)純氟化氫(e)純氟化氫水溶液奈米線上銀顆粒對奈米線進行蝕刻(f)圖(e)之局部放大圖 之TEM影像。 70

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    下載圖示 校內:2009-07-29公開
    校外:2009-07-29公開
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