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研究生: 莊志遠
Zhuang, Zhi-Yuan
論文名稱: 氧化鈷奈米結構之製備與其退火行為
Characterization and Post-annealing of Cobalt Oxides Nanostructures by Thermal Chemical Vapor Deposition
指導教授: 劉全璞
Liu, Chuan-Pu
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: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 氧化鈷化學氣相沉積
外文關鍵詞: chemical vapor deposition, cobalt oxides
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  • 本研究的目的在於製作氧化鈷奈米結構,並分析製備出的奈米結構其結構及成份變化。實驗中,主要使用熱反應式化學氣相沉積製程,以醋酸鈷為先驅物,利用掃描式電子顯微鏡(SEM)及穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察試片的形貌,利用TEM及傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)分析其結構及成份,並使用超導量子干涉磁量儀(SQUID)觀察試片在低溫下的磁性表現。

    經由控制製程溫度及時間,本實驗成功的製作出CoO相奈米線以及Co3O4相的奈米顆粒。另外,本研究將會對CoO相奈米線作退火實驗,觀察其形貌、結構及成份的變化,發現在退火過後,奈米線在形貌上並沒有太大的變化,而結構上則會由CoO相變化為Co3O4相,故可得到Co3O4相的奈米線。而在SQUID磁性量測中,可以觀察到原本為反鐵磁性的Co3O4相,在低溫下會有鐵磁性性質。

    In this study, various nanostructures of cobalt oxides are synthesized. Thermal chemical vapor deposition is used in the process and cobalt acetate is used as precursor. Morphology of the grown sample is observed by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Structures and compositions are characterized by fourier transform infrared spectrometry (FTIR) and TEM. Hysteresis curve is measured by superconducting quantum interference device (SQUID) at low temperature.

    CoO nanowires and Co3O4 nanoparticles are successfully synthesized through controlling the growth temperature and ambience. Otherwise, post-annealing heat treatment of CoO nanowires is studied. After annealing, the changes of morphology, structure and composition are analyzed. It was found that the morphology has no change obviously, but the phase was transformed from CoO to Co3O4. In the SQUID measurement, the result reveals that the Co3O4 nanocrystal would exhibit ferromagnetic property at low temperature, compared to antiferromagnetic in bulk.

    目錄 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 5 第二章 文獻回顧與理論基礎 6 2.1 奈米線成長機制 6 2.1.1 VLS 6 2.1.2 SLS 9 2.1.3 VS 11 2.1.4 template 13 2.2 氧化鈷文獻回顧 15 2.3 氧化鈷磁性 22 第三章 實驗方法 29 3.1 化學氣相沉積製作氧化鈷奈米線 29 3.1.1 實驗流程 29 3.1.2 基板處理 30 3.1.3 實驗裝置 31 3.1.4 實驗步驟 34 3.2 實驗分析 36 3.2.1 掃描式電子顯微鏡 36 3.2.2 穿透式電子顯微鏡 36 3.2.3 傅立葉轉換紅外光譜儀 38 3.2.4 超導量子干涉磁量儀 38 第四章 結果與討論 39 4.1 氧化鈷奈米結構成長及分析 39 4.1.1 氧化鈷奈米線成長 39 4.1.2 片狀結構成長 49 4.1.3 奈米顆粒成長 55 4.2 氧化鈷奈米線的熱處理行為 60 4.3 FTIR分析 72 4.4 綜合討論 78 4.4.1 奈米線成長 78 4.4.2 CoO相變化為Co3O4 84 4.5 SQUID磁性分析 85 第五章 結論 91 第六章 參考文獻 92 表目錄 表2-1 In顆粒大小與GaAs奈米線大小的關係 10 表2-2 成長氧化鈷薄膜的性質與參數 15 表4-1 與氧化鈷及醋酸鈷相關的FTIR鍵結 72 表4-2 各種溫度下加熱醋酸鈷所生成的產物。 81 圖目錄 圖1-1 CoO 結構 4 圖1-2 Co3O4結構 4 圖2-1 鐵矽相平衡圖 7 圖2-2 VLS成長機制示意圖 7 圖2-3 矽的奈米線 8 圖2-4 GaAs奈米線 10 圖2-5 GaN奈米柱 12 圖2-6 twin plane與奈米線成長的關係 12 圖2-7 規則排列的多孔性AAO 14 圖2-8 不同大小的TiO2奈米線 14 圖2-9 Co3O4相薄膜的AFM形貌圖 16 圖2-10 不同尺寸的氧化鈷奈米顆粒 17 圖2-11 氧化鈷奈米牆結構 18 圖2-12 氧化鈷奈米牆與奈米柱及其TEM結構 19 圖2-13 氧化鈷奈米管及其電子繞射圖 21 圖2-14 各種磁性材料其磁化率與溫度的關係(a)順磁性,(b)反磁性,(c)鐵磁性,(d)反鐵磁性………………....................... 25 圖2-15 不同大小的CoO相奈米顆粒 26 圖2-16 CoO奈米顆粒在低溫(10K)下有鐵磁性質 26 圖2-17 (a)為在1.8K下,不同大小的CoO奈米顆粒其M-H圖 27 圖2-18 20nm的Co3O4奈米顆粒,在5K下量得的M-H圖 28 圖2-19 CoO(X)/SiO2(50A)多層膜結構的temperature dependence TRM量測 28 圖3-1 實驗流程圖 30 圖3-2 試片清洗流程 31 圖3-3 CVD裝置圖 32 圖3-4 退火爐裝置圖 33 圖3-5 實驗升溫曲線 35 圖3-6 TEM裝置示意圖 37 圖4-1 sample A的低倍率SEM圖 40 圖4-2 奈米線呈現啞鈴狀的分布 40 圖4-3 奈米線呈現雙球狀的分布 41 圖4-4 sample A的EDS圖譜 41 圖4-5 sample A奈米線部分的TEM元素分析圖 43 圖4-6 sample A的TEM明場像 44 圖4-7 sample A的電子繞射圖 44 圖4-8 繞射環與其對應的CoO相結構平面 45 圖4-9 奈米線的高解析電子顯微鏡圖 45 圖4-10 sample A一系列的明場暗場像圖(a)明場像圖,(b)對應的電子繞射圖,(c)第二個繞射環的暗場像,(d) 第三個繞射環的暗場像,(e) 第四及第五個繞射環的暗場像 47 圖4-11 sample A的晶粒大小分布圖 48 圖4-12 sample B低倍率的SEM圖 51 圖4-13 sample B的高倍率SEM圖 51 圖4-14 sample B的明場像 52 圖4-15 sample B的TEM EDS圖譜 52 圖4-16 sample B的電子繞射圖 53 圖4-17 sample B的TEM明場像,圓圈處為經過一段時間電子束照射後的區域 54 圖4-18 sample B經過一段時間電子束照射後的電子繞射圖 54 圖4-19 sample R的低倍率SEM圖 56 圖4-20 sample R的高倍率SEM圖 56 圖4-21 sample R的TEM EDS圖譜 57 圖4-22 sample R的TEM明場像 57 圖4-23 sample R的電子繞射圖 58 圖4-24 sample R的高解析電子顯微鏡圖 58 圖4-25 sample R的TEM EELS圖譜 59 圖4-26 A-H30的低倍率SEM圖 61 圖4-27 A-H30高倍率SEM圖 61 圖4-28 A-H30的TEM明場像 62 圖4-29 A-H30的電子繞射圖及其繞射環對應的結構平面 62 圖4-30 A-H30一系列的明場暗場像圖(a)明場像圖,(b)對應的電子繞射圖,(c)第二個繞射環的暗場像,(d) 第三個繞射環的暗場像,(e) 第四個繞射環的暗場像,(f) 第五及第六個繞射環的暗場像 64 圖4-31 sample C的晶粒大小分布圖 65 圖4-32 A-H180的低倍率SEM圖 67 圖4-33 A-H180的高倍率SEM圖 67 圖4-34 A-H180的EDS圖譜 68 圖4-35 A-H180的TEM明場像圖 68 圖4-36 A-H180的高解析電子顯微鏡圖 69 圖4-37 A-H180的電子繞射圖及其繞射環對應的結構平面圖 69 圖4-38 A-H180一系列的明場暗場像圖(a)明場像圖,(b)對應的電子繞射圖,(c)第二個繞射環的暗場像,(d) 第三個繞射環的暗場像,(e) 第四個繞射環的暗場像,(f) 第五及第六個繞射環的暗場像 70 圖4-39 A-H180的晶粒大小分布圖 71 圖4-40 矽基板的FTIR圖譜 74 圖4-41 sample A 的FTIR圖譜 74 圖4-42 sample B的FTIR圖譜 75 圖4-43 A-H30的FTIR圖譜 75 圖4-44 A-H180的FTIR圖譜 76 圖4-45 sample R的FTIR圖譜 76 圖4-46 sample A、B、R、A-H30、A-H180在 2000~4000cm-1波段的FTIR圖譜 77 圖4-47 片狀結構的SEM及TEM圖(a)為cobalt nitride carbonate hydroxide hydrate(CNCH)的SEM形貌圖,(b)為(a)的TEM明場像,(c)為中間產物CNCH加熱至300℃10分鐘後的SEM形貌圖,(d)為(c)的TEM明場像 81 圖4-48 線狀結構的SEM及TEM圖(a)為cobalt nitride carbonate hydroxide hydrate(CNCH)的SEM形貌圖,(b)為(a)的TEM明場像,(c)為中間產物CNCH加熱至300℃10分鐘後的SEM形貌圖,(d)為(c)的TEM明場像 82 圖4-49 奈米線顆粒中間的型態 82 圖4-50 sample B一系列的退火低倍率SEM形貌圖(a)sample B(b)退火10分鐘,(c)退火30分鐘 83 圖4-51 sample B一系列的退火高倍率SEM形貌圖左圖為退火10分鐘,右圖為退火30分鐘 83 圖4-52 4K下,sample A(CoO相)的M-H圖 86 圖4-53 4K下,sample A(CoO相)的M-H圖(放大中間部分) 86 圖4-54 4K下,A-H30(Co3O4相)的M-H圖(未去除基板訊號) 89 圖4-55 4K下,A-H180(Co3O4相)的M-H圖(未去除基板訊號) 89 圖4-56 4K下,A-H30(Co3O4相)的M-H圖(去除基板訊號) 90 圖4-57 4K下,A-H180(Co3O4相)的M-H圖(去除基板訊號) 90

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    下載圖示 校內:2007-07-26公開
    校外:2007-07-26公開
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