二氧化釕/石墨烯之異質奈米結構之製備與特性分析｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	楊子弦 Zih - Sian Yang
論文名稱：	二氧化釕/石墨烯之異質奈米結構之製備與特性分析 Growth and characterization of RuO2/graphene heteronanocrystals
指導教授：	黃鶯聲 Ying-Sheng Huang
口試委員:	何清華 Ching-Hwa Ho 趙良君 L. C. Chao 李奎毅 Kuei-yi LEE 程光蛟 Kwong-Kau Tiong
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電資學院 - 電子工程系 Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	101
中文關鍵詞：	二氧化釕、石墨烯、反應式射頻磁控濺鍍法
外文關鍵詞：	RuO2, graphene, reactive radio frequency magnetron sputtering
相關次數：	點閱：347 下載：4
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本論文主要利用反應式射頻磁控濺鍍法製備奈米材料來研究二氧化釕(Ruthenium dioxide，RuO2)/石墨烯(Graphene)奈米複合結構，觀察其表面、分析其成長優選方向及結構特性。
利用反應式射頻磁控濺鍍法沉積二氧化釕奈米結構於藍寶石(sapphire，SA)(100)、(012)、鈮酸鋰（LiNbO3，LNO）(100)、石英玻璃(Fused Silica)與銅網基材之石墨烯薄膜形成奈米複合結構，探討其異質奈米材料形貌、方向等相關特性。由拉曼散射光譜儀(Raman)可檢測石墨烯的層數多寡與呈現紅移現象的二氧化釕振動模式(Eg、A1g 及B2g)，並從二氧化釕沉積於石墨烯在銅網基材可得知石墨烯沒有在製備中與氧結合而被破壞；從Ｘ光繞射(XRD)得到二氧化釕奈米晶體與石墨烯於藍寶石(100)基板與鈮酸鋰(100)基板上，二氧化釕會以[001]方向優選成長、藍寶石(012)基板上，二氧化釕會以[101]方向優選成長，而在石英玻璃基板上成長方向為I[101]大於I[002]大於I[110]；從場發射式電子顯微鏡(FESEM)於藍寶石(100)基板與鈮酸鋰(100)基板可得知二氧化釕奈米晶體在石墨烯上規則排列且垂直成長，而在藍寶石(012)與石英玻璃基板上的二氧化釕是呈現傾斜方向，定性及定量分析部分X光光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy)顯示其元素組成大約為Ru:O為1:2。
我們成功的將二氧化釕奈米結構成長於石墨烯奈米結構上，對於二氧化釕成長在石墨烯上之異質奈米結構的成長特性以及機制更加瞭解。

Ruthenium dioxide nanocrystals (NCs) were deposited on graphene templates to form RuO2/grapheme nanocomposites by reactive radio frequency magnetron sputtering using a Ru metal target. The graphene templates were synthesized on fused silica, sapphire (SA) (100)/(012), LiNbO3 (LNO) (100) and copper screen substrates using floating thermal chemical vapor deposition technique. The surface morphology, structural and spectroscopic properties of the RuO2/graphene nanocomposites were characterized using field-emission scanning electron microscopy (FESEM), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
FESEM micrographs revealed the growth of randomly oriented RuO2 nanocrystals (NCs) on fused silica, vertically aligned RuO2 NCs on SA(100) and LNO(100), and tilted alignment of RuO2 nanorods on SA(012). Raman spectra confirmed the deposition of rutile phase RuO2 on graphene templates. The XRD results indicated that rutile phase RuO2 NCs with random orientation on fused silica with peaks intensity I[101]>I[002]>I[110] , coexistence of (001) and (301) orientation on LNO(100) substrate, and (001) and (101) preferred orientation on SA(100) and SA(012) substrates, respectively. XPS analyses revealed oxygen vs. ruthenium ratio of 2.0 ±0.1 for the as-deposited RuO2 NCs.
We have demonstrated the successful synthesis of RuO2/graphene heteronanostructures on different substrates. A strong substrate effect on the alignment of the RuO2 NCs on graphene templates was observed, and the probable mechanisms for the formation of NC structure were discussed.

中文摘要	I
Abstract	III
目錄	I
圖目錄	IV
表索引	VIII
第一章 緒論	1
1.1 研究動機	1
1.2 二氧化釕	3
1.3 石墨烯	5
1.4石墨烯的拉曼分析	6
第二章 實驗方法與步驟	9
2.1 實驗流程	9
2.2 樣品製備	10
2.3 實驗步驟	13
2.3.2 反應式射頻磁控濺鍍系統(radio frequency reactive magnetron sputtering system)與原理	14
2.3.4 石墨烯成長與實驗步驟	18
2.4 特性分析方法	21
2.4.1 拉曼光譜儀 (Raman)	21
2.4.2 場發射掃描式電子顯微鏡 (FESEM)	25
2.4.3 X-ray 繞射儀 (XRD)	26
2.4.4 X射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrometer，XPS)	29
第三章 結果與討論	31
3.1 二氧化釕奈米結構之成長於不同基板	31
3.1.1 二氧化釕奈米結構成長於Fused silica基板之特性分析	34
3.1.2 二氧化釕奈米結構成長於LNO(100)基板之特性分析	38
3.1.3 二氧化釕奈米結構成長於SA(100)基板之特性分析	42
3.1.4 二氧化釕奈米結構成長於SA(012)基板之特性分析	47
3.1.5 二氧化釕之XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)成分分析	51
3.2二氧化釕奈米結構之成長於銅網(Copper screen)之特性分析其証明石墨烯存在	53
3.3 二氧化釕/石墨烯奈米結構之成長於不同基板	59
3.3.1 二氧化釕/石墨烯奈米結構成長於Fused silica基板之特性分析	62
3.3.2 二氧化釕/石墨烯奈米結構成長於LNO(100)基板之特性分析	67
3.3.3 二氧化釕/石墨烯奈米結構成長於SA(100)基板之特性分析	72
3.3.4 二氧化釕/石墨烯奈米結構成長於SA(012)基板之特性分析	77
3.3.5 二氧化釕/石墨烯之XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)成分分析	82
第四章 結論	84
參考文獻	86


圖目錄
圖 1.2-1 二氧化釕金紅石(Rutile)單位晶胞示意圖。	4
圖1.4-1單層石墨之電子散射示意圖。	8
圖1.4-2 不同石墨烯層數與2D band之關係拉曼光譜. 其中單層石墨為1-LG, 雙層石墨為2-LG, 三層石墨為3-LG, 四層石墨為4-LG。	8
圖2.1 實驗流程圖。	9
圖2.3-1 LNO(100)基板之5×5 mm2之大小。	13
圖2.3-2 銅網基板切割之1×1 cm2大小。	13
圖2.3.2-1 反應式射頻磁控濺鍍示意圖。	15
圖2.3.3-1 銅片壓在銅網三分之一位置圖。	17
圖2.3.3-2 反應式射頻磁控濺鍍系統圖。	17
圖2.3.4-1 移動式thermal CVD system。	19
圖2.3.4-2 移動式CVD system. (a)爐管移動前 (b)爐管移動後。	19
圖2.3.4-3石墨烯成長過程中溫度與時間對照圖。	20
圖2.4.1-1 拉曼散射系統圖(顯微鏡部份)。	22
圖2.4.1-2 拉曼散射系統圖(雷射部份)。	23
圖2.4.1-3 拉曼散射原理圖。	23
圖2.4.1-4 拉曼散射光路圖。	24
圖2.4.3-1 X-ray繞射儀圖。	28
圖2.4.3-2 Bragg diffraction示意圖。	28
圖2.4.4-1光電作用示意圖。	29
圖3.1-1 於Fused silica基板上沉積RuO2之Raman散射圖。	36
圖3.1-2於Fused silica基板上沉積RuO2之XRD繞射圖。	36
圖3.1-3 於Fused silica基板上沉積RuO2之FESEM圖傾斜30º；(b)截面圖。	37
圖3.1.2-1 於LNO(100)基板上沉積RuO2之Raman散射圖。	40
圖3.1.2-2於LNO(100)基板上沉積RuO2之XRD繞射圖。	40
圖3.1.2-3 於LNO(100)基板上沉積RuO2之FESEM圖傾斜30º；(b)截面圖。	41
圖3.1.3-1 於SA(100)基板上沉積RuO2之Raman散射圖。	45
圖3.1.3-2於SA(100)基板上沉積RuO2之XRD繞射圖。	45
圖3.1.3-3 於SA(100)基板上沉積RuO2之FESEM圖傾斜30º；(b)截面圖。	46
圖3.1.4-1 於SA(012)基板上沉積RuO2之Raman散射圖。	49
圖3.1.4-2於SA(012)基板上沉積RuO2之XRD繞射圖。	49
圖3.1.4-3 於SA(012)基板上沉積RuO2之FESEM圖傾斜30º；(b)截面圖。	50
圖3.1.5-1 為Fused silica光電子能譜分析譜線(a)為Ru3d(b)O1s譜線訊號。	52
圖3.2-1 於銅網基板上沉積RuO2之Raman散射圖(A)為未沉積RuO2之石墨烯訊號(B)為沉積RuO2後之石墨烯Raman正面量測之訊號(C)為沉積RuO2後之石墨烯Raman反面量測之訊號。	57
圖3.2-1 於銅網基板上沉積RuO2之FESEM圖傾斜30º。	58
圖3.3.1-1 沉積石墨烯後沉積RuO2於Fused silica基板上之Raman散射圖(A)為未沉積RuO2之石墨烯訊號(B)為沉積RuO2後之Raman訊號。	64
圖3.3.1-2 沉積石墨烯後沉積RuO2於Fused silica基板上之XRD繞射圖。	65
圖3.3.1-3 沉積石墨烯後沉積RuO2於Fused silica基板上之FESEM圖(a)傾斜30º；(b)截面圖。	66
圖3.3.2-1 沉積石墨烯後沉積RuO2於LNO(100)基板上之Raman散射圖(A)為未沉積RuO2之石墨烯訊號(B)為沉積RuO2後之Raman訊號。	69
圖3.3.2-2 沉積石墨烯後沉積RuO2於LNO(100)基板上之XRD繞射圖。	70
圖3.3.1-3 沉積石墨烯後沉積RuO2於LNO(100)基板上之FESEM圖(a)傾斜30º；(b)截面圖。	71
圖3.3.3-1 沉積石墨烯後沉積RuO2於SA(100)基板上之Raman散射圖(A)為SA(100)之基板訊號(B)為未沉積RuO2之石墨烯訊號(C)為沉積RuO2後之Raman訊號。	74
圖3.3.3-2 沉積石墨烯後沉積RuO2於SA(100)基板上之XRD繞射圖。	75
圖3.3.3-3 沉積石墨烯後沉積RuO2於SA(100)基板上之FESEM圖(a)傾斜30º；(b)截面圖。	76
圖3.3.4-1 沉積石墨烯後沉積RuO2於SA(012)基板上之Raman散射圖(A)為SA(012)之基板訊號(B)為未沉積RuO2之石墨烯訊號(C)為沉積RuO2後之Raman訊號。	79
圖3.3.4-2 沉積石墨烯後沉積RuO2於SA(012)基板上之XRD繞射圖。	80
圖3.3.4-3 沉積石墨烯後沉積RuO2於SA(012)基板上之FESEM圖(a)傾斜30º；(b)截面圖。	81
圖3.3.5-1 為Fused silica光電子能譜分析譜線(a)為Ru3d(b)O1s譜線訊號。	83

表索引
表2.3.4-1 利用移動式thermal CVD成長石墨烯之條件	20
表 3.1-1 實驗組別A到D之濺鍍條件	33
表 3.1-2 二氧化釕之拉曼散射訊號	33
表 3.2-1 實驗E之濺鍍條件	54
表 3.3-1 實驗組別F到I之濺鍍條件	60
表 3.3-2 二氧化釕之拉曼散射訊號	61
表 3.3-3 石墨烯之拉曼散射訊號	61

                                

[1] M. Morales and C. M. Lieber, “A laser ablation method for the synthesis of crystalline semiconductor nanowires,” Science, vol. 279, pp. 208-211, 1998.
[2] W. S. Shi, Y. F. Zheng, Y. H. Tang, C. S. Lee, and S. T. Lee, “Oxide-Assisted growth and optical characterization of Gallium-Arsenide nanowires,” Appl. Phys. Lett., vol. 78, pp. 3304-3306, 2001
[3] J. Wang, M. S. Gudiksen, X. Duan, Y. Cui, and C. M. Lieber, “Highly Polarized Photoluminescence and Photodetection from single Indium Phosphide nanowires,” Science, vol. 293, pp. 1455-1457, 2001.
[4] H. M. Kim, D. S. Kim, Y. S. Park, D. Y. Kim, T. W. Kang, and K. S. Chung, “Growth of GaN nanorods by a hydride vapor phase epitaxy method,” Adv. Mater., vol. 14, pp. 991-993, 2002.
[5] Z. G. Bai, D. P. Yu, H. Z. Zhang, Y. Ding, Y. P. Wang, X. Z. Gai, Q. L. Hang, G. C. Xiong, and S. Q. Feng, “Nano-Scale GeO2 wires synthesized by physical evaporation,” Chem. Phys. Lett., vol. 303, pp. 311-314 , 1999.
[6] Y. C. Choi, W. S. Kim, Y. S. Park, S. M. Lee, D. J. Bae, Y. H. Lee, G. S. Park, W. B. Choi, N. S. Lee, and J. M. Kim, “Catalytic growth of β-Ga2O3 nanowires by arc discharge ,” Adv. Mater., vol. 12, pp. 746-750, 2000.
[7] 林珊杉,「利用有機金屬化學氣象沉積製備垂直成長二氧化鈦奈米晶體之結構與其光學特性分析」,碩士論文,國立台灣科技大學, 第3-5頁, 2010。
[8] R. S. Chen, Y. S. Huang, Y. M. Liang, D. S. Tsai, and K. K. Tiong, “Field Emission from vertically aligned conductive IrO2 nanorods,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, pp. 1552-1554, 2004.
[9] B. R. Chalamala, Y. Wei, R. H. Reuss, S. Aggarwal, B. E. Gnade, R. Ramesh, J. M. Bernhard, E. D. Sosa, and D. E. Golden, “Effect of growth conditions on surface morphology and photoelectric work function characteristics of iridium oxide thin films,” Appl. Phys. Lett., vol. 74, pp. 1394-1396, 1999.
[10] S. Y. Cha and H. C. Lee, “Deoxidization of iridium oxide thin film,” Jpn. J. Appl. Phys., Part 2, vol. 38, pp. L1128-L1130, 1999.
[11] R. S. Chen, Y. S. Huang, Y. L. Chen, and Y. Chi, “Preparation and characterization of RuO2 thin films from Ru(CO)2(tmhd)2 by Metal Organic Chemical Vapor Deposition,” Thin Solid Films, vol. 413 , pp. 85-91, 2002.
[12] J. J. Wu and S. C. Liu, “Catalyst-Free growth and characterization of ZnO nanorods,” J. Phys. Chem. B, vol. 106, pp. 9546-9551, 2002.
[13] W. D. Ryden, A. W. Lawson, and C. C. Sartain, “Electrical transport properties of IrO2 and RuO¬2,” Phys. Rev. B, vol. 1, pp. 1494-1500, 1970.
[14] L. Krusin-Elbaum, M. Wittmer, and D. S. Yee, “Characterization of reactively sputtered ruthenium dioxide for very large scale integrated metallization,” Appl. Phys. Lett., vol. 50, pp. 1879-1881, 1987.
[15] T. Kuhn and C. J. Mortimer, “The kinetics of chlorine evolution and reduction on titanium-supported metal oxides especially RuO2 and IrO2,” Electrochemical society, vol. 120, pp. 231-236 , 1973.
[16] JCPDS card no. 21-1172, International Centre for Diffraction Data, Newtown Square, PA, USA.
[17] Y. S. Huang and F. H. Pollak, “Raman investigation of Rutile RuO2,” Solid State Communicaitons, vol. 43, pp. 921-924 (1982).
[18] R. G. Vadimsky, R. P. Frankenthal, and D. E. Thompson, “Ru and RuO2 as electrical contact materials: Preparation and environmental interactions,” J. Electrochem. Soc., vol. 126, pp. 2017-2023, 1979.
[19] J. Soudee, G . Chardin, Y. Giraudheraud, P. Pari, and M. Chapellier, “Properties of NTD number-23 Ge sensor and RuO2 films as thermal sensors for bolometers,” J. of Low Temp. Phys., vol. 93, pp. 319-324(1993).
[20] L. A. Bursill, M. D. Reaney, P. Vijay, and S. B. Desu, “Comparison of lead zirconate titanate thin films on Ruthenium Oxide and platinum electrodes,” J. Appl. Phys., vol. 75, pp. 1521-1525, 1994.
[21] H. N. Al-Shareef, K. R. Bellur, A. I. Kingon, and O. Auciello, “Influence of platinum interlayers on the electrical properties of RuO2/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3/RuO2 capacitor heterostructures,” Appl. Phys. Lett., vol. 66, pp. 239-241, 1995.
[22] S. D. Bernstein, T. Y. Wong, Y. Y. Kisler, and R. W. Tustison, “Fatigue of ferroelectric PbZrxTiyO3 capacitors with Ru and RuOx electrodes,” J. Mater. Res., Vol. 8, pp. 12-13, 1993.
[23] Q. X. Jia, L. H. Chang, and W. A. Anderson, “Surface and interface properties of ferroelectric BaTiO3 thin films on Si using RuO2 as an electrode ,” J. Mater. Res., vol. 9, pp. 2561-2565, 1994.
[24] S. Iijima , T. Ichihashi , “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter,” Nature, vol. 363, pp. 603-605, 1993.
[25] D. S. Bethune, C. H. Kiang, M. S. Devries, G. Gorman, R. Savoy , J. Vazquez, and R. Beyers “Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer wall,” Nature, vol. 363, pp. 605-607, 1993.
[26] O. Zhou, R. M. Fleming, D. W. Murphy, C. H. Chen, R. C. Haddon, A. P. Ramirez, and S. H. Glarum, ”Defects in carbon nanotubes,” Science, vol. 263. pp. 1744-1747 , 1994.
[27] 韋進全, 張先峰, 王昆林, 「奈米碳管巨觀體：物理化學特性與應用」, 五南, 2009.
[28] JCPDS card no. 10-0173, International Centre for Diffraction Data, Newtown Square, PA, USA.
[29] JCPDS card no. 20-0631, International Center for Diffraction Data, Newtown Square, PA, USA.
[30] 簡翰中, 「化學分析電子儀在分析技術上的最新應用」, 電子月刊, 第十卷, 第七期, 第123-132頁, 2004.
[31] S. Bhaskar, P. S. Dobal, S. B. Majumder, and R. S. Katiyar, ”X-ray photoelectron spectroscopy and micro-raman analysis of cinductive RuO2 thin films,” Appl. Phys. Lett., vol. 89, pp.2987-2992, 2000.

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