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系統識別號 U0002-1708201016250500
中文論文名稱 區域成長奈米碳管及其散熱之研究
英文論文名稱 Study on Regional Growth of Carbon Nanotubes and Its’ Application in Heat Dissipation
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 李宗勳
研究生英文姓名 Tzung-Shiun Li
學號 696370849
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-23
論文頁數 96頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-馬廣仁
委員-陳盈同
委員-陳大同
委員-周文成
中文關鍵字 奈米碳管  熱熔  研磨拋光  熱壓  散熱 
英文關鍵字 carbon nanotubes(CNT)  CVD  reflow  lapping  hot pressuring  heat dissipation 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究主要是選擇區域成長多層奈米碳管。在本篇論文中利用熱熔後的金屬部分當遮罩做區域成長奈米碳管,而熱壓法和高溫研磨將鐵原子擴散於鋁基材和銅基材提供奈米碳管的成長,將這些樣品做散熱的試驗。結果證實了上面敘述的方法可以成功地區域成長奈米碳管,且含有奈米碳管的樣品散熱效果比原始基材來的好。
英文摘要 This research aimed to grow multi-wall CNTs in the selected area. The thermal reflow process was employed in this study to generate the mask for regional growth. Hot pressing and high temperature lapping were also used to diffuse iron into the aluminum alloy and brass substrates so that CNTs could grow on it. The obtained specimens were subsequently used to go through series heat dissipation tests. The results showed that CNTs could successfully grow on substrates using the proposed methods and the CNTs covered specimens exhibited the best heat dissipation efficiency amongst all the tested base materials.
論文目次 目錄
誌謝.......................................................................................................... I
中文摘要................................................................................................... II
英文摘要..................................................................................................III
目錄........................................................................................................ IV
圖目錄...................................................................................................... VI
表目錄...................................................................................................... XI
第1 章 序論...............................................................................................1
1-1 前言................................................................................................1
1-2 背景介紹........................................................................................2
1-3 研究動機與目的............................................................................6
第2 章 文獻回顧與理論基礎..................................................................8
2-1 奈米碳管的結構............................................................................8
2-2 奈米碳管的特性..........................................................................11
2-3 奈米碳管的製備方法..................................................................14
2-3-1 電弧放電法(Electric Arc-Discharge)..................................15
2-3-2 雷射蒸發法(Laser Ablation Process)..................................16
2-3-3 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD).........16
2-3-4 太陽能法(Solar Energy Method) ........................................17
2-3-5 微波輔助化學氣相沉積法(MPE-CVD Method) ...............18
2-4 CVD 製備奈米碳管的原理.........................................................20
2-5 區域成長奈米碳管的歷史發展..................................................21
2-6 區域成長奈米碳管的成長機制..................................................31
2-7 區域成長奈米碳管發展與應用..................................................32
2-7-1 奈米探針.............................................................................32
2-7-2 場發射(Field Emission Display) .........................................34
2-7-3 微電子元件.........................................................................36
2-7-4 散熱之應用.........................................................................36
第3 章 實驗方法與設備........................................................................37
3-1 區域成長奈米碳管之原理與方法..............................................37
3-2 實驗流程......................................................................................39
3-3 實驗步驟......................................................................................40
3-4 實驗儀器......................................................................................43
第4 章 結果與討論................................................................................48
4-1 金屬熱熔後做區域成長奈米碳管..............................................48
4-1-1 在矽基材上鍍上不同厚度的金膜.....................................49
4-1-2 在矽基材上鍍上一層100 nm Ir 的單層膜.......................54
4-2 鋁(6063)及(鑄造)黃銅經Lapping 後成長奈米碳管.................58
4-2-1 以鋁(6063)當基材經Lapping 後成長奈米碳管...............58
4-2-2 以(鑄造)黃銅當基材經Lapping 後成長奈米碳管...........64
4-3 鋁(1050)和含氧化層的鋁(1050)經熱壓後成長奈米碳管........70
4-4 熱傳實驗......................................................................................79
第5 章 結果與討論................................................................................91
文獻參考...................................................................................................92
圖目錄
圖1-1 自然界物質的大小比較................................................................1
圖1-2 碳的同素異形體............................................................................2
圖1-3 (a)奈米碳管中空結構(b)碳纖維實心結構....................................5
圖1-4 C60 的分子結構...............................................................................6
圖2-1 Graphite Whisker、Vapor Grown Carbon Fiber、Carbon
Nanotube、Fullerences 彼此間直徑的比較圖..................................8
圖2-2 二維片狀的石墨結構圖................................................................9
圖2-3 奈米碳管各種結構圖 (a)Armchair (b)Zigzag (c)Chiral............10
圖2-4 不同型態的多層奈米碳管(a)螺旋型(b)Y 型(c)竹節型(d)魚骨型
..........................................................................................................11
圖2-5 電弧放電法製備奈米碳管簡圖..................................................15
圖2-6 雷射蒸發法簡圖..........................................................................16
圖2-7 化學氣相沉積法簡圖..................................................................17
圖2-8 太陽能法簡圖..............................................................................17
圖2-9 微波輔助化學氣相沉積法簡圖..................................................18
圖2-10 (a)觸媒粒子在基材上 (b)碳原子吸附在觸媒表面 (c)碳原子形
成奈米碳管後將觸媒抬起 (d)碳原子包覆整個觸媒...................20
圖2-11 Dai Group 做區域成長奈米碳管的實驗流程簡圖...................21
圖2-12 Dai Group 做區域成長奈米碳管SEM 實體圖.........................22
圖2-13 Wang 等人做區域成長奈米碳管,左圖:利用TEM 製備六角
方格的鐵圖樣 (a)六方格鐵圖樣表面(b)成長高度(c)分佈密度;右
上圖:利用E-Beam 和移除方式製備基材示意圖;右下圖(a)成長
完表面(b)斜視圖..............................................................................22
圖2-14 J.M. Xu 製成區域成長奈米碳管過程示意圖...........................23
圖2-15 Han 等人基材設計示意圖.........................................................23
圖2-16 Han 等人成長完區域性奈米碳管的SEM 圖...........................24
圖2-17 (a)稀硝酸蝕刻前留下的氧化鎳(b)稀硝酸蝕刻後留下的氧化鎳
(c)成長奈米碳管(d)單根奈米碳管.................................................25
圖2-18 左圖:二次成長完表面形貌。右圖:二次成長的高度區別25
圖2-19 上圖為大範圍的成長表面;下圖為小範圍成長表面............26
圖2-20 AAO 模板製備過程示意圖(a)基材上鍍鋁(b)電鍍(c)蝕刻(d)電
鍍(e)蝕刻..........................................................................................27
圖2-21 在AAO模板中成長奈米碳管陣列(a)奈米碳管生成前AAO形
貌(b)成長10 分鐘(c)成長15 分鐘.................................................27
圖2-22 Ding 等人實驗完(a)成長完表面(b)剖面圖...............................28
圖2-23 (a)~(d)奈米碳管生成直徑分別為5、2、1 和0.5 μm,碳管和
碳管間距皆為10 μm.......................................................................29
圖2-24 Dubosc 等人做區域成長過程示意圖........................................30
圖2-25 光阻移除後留下40 nm Ni 的點陣列.......................................30
圖2-26 成長完奈米碳管SEM 圖。左圖:直徑6 nm Ni,右圖:直徑
40 nm Ni ...........................................................................................30
圖2-27 成長機制示意圖(a)頂部成長模式 (b)底部成長模式.............32
圖2-28 左圖:奈米碳管探針。右圖矽探針........................................33
圖2-29 傳統奈米碳管製作探針過程簡圖(a)~(d).................................33
圖2-30 場發射簡圖................................................................................35
圖2-31 傳統金屬發射尖端....................................................................35
圖2-32 奈米碳管發射尖端....................................................................35
圖3-1 實驗流程圖..................................................................................39
圖3-2 鍍金鍍率表..................................................................................40
圖3-3 化學氣相沉積設備......................................................................43
圖3-4 化學氣相沉積設備示意圖..........................................................43
圖3-5 SEM(Hitachi S4160 型) ................................................................44
圖3-6 鍍金機..........................................................................................45
圖3-7 拋光機Model 900........................................................................45
圖3-8 行星式軌跡示意圖......................................................................46
圖3-9 熱拋機示意圖…………………………………………………..46
圖3-10 熱拋機Model CDL-380 ............................................................46
圖3-11 熱壓機Model 3853....................................................................47
圖3-12 ThermaCAM SC500……………………………………………47
圖4-1 金屬熱熔過程示意圖..................................................................48
圖4-2 鍍金鍍率表..................................................................................49
圖4-3 不同厚度金膜層對不同溫度熱熔完SEM 圖............................51
圖4-4 不同溫度對不同金膜層熱熔後,表面成長奈米碳管斜視圖..52
圖4-5 為SEM 在30 K 倍下拍攝奈米碳管的成長密度以及管徑大小
..........................................................................................................53
圖4-6 Ir 的單層膜...................................................................................54
圖4-7 Ir 膜層熱熔後成長奈米碳管表面斜視圖...................................56
圖4-8 一般基材與鍍有Ir 膜層在不同溫度成長奈米碳管的高度比較
..........................................................................................................56
圖4-9 SEM 在30 K 倍下拍攝奈米碳管的成長密度以及管徑大小....57
圖4-10 鋁(6063)拋光後 (a)未受Lapping (b) Lapping 30 分鐘(c)
Lapping60 分鐘................................................................................58
圖4-11 鋁(6063)Edx 分析......................................................................59
圖4-12 鋁(6063)Lapping 30 分鐘後Edx 分析.....................................59
圖4-13 鋁(6063)Lapping 60 分鐘後Edx 分析.....................................60
圖4-14 鋁加熱至800℃後表面及剖面圖.............................................61
圖4-15 鋁(6063)基材溫度與Lapping 時間對表面CNT 成長的比較一
..........................................................................................................62
圖4-16 鋁(6063)基材溫度與Lapping 時間對表面CNT 成長的比較二
..........................................................................................................63
圖4-17 黃銅拋光後(a)未Lapping(b) Lapping30 分鐘(c) Lapping60 分鐘
……………………………………………………………………..64
圖4-18 黃銅Edx 分析............................................................................65
圖4-19 黃銅Lapping 30 分鐘後Edx 分析...........................................65
圖4-20 黃銅Lapping 60 分鐘後Edx 分析...........................................66
圖4-21 鋁(6063)基材和銅基材Lapping 後擴散鐵原子分佈比較圖..66
圖4-22 銅基材溫度與Lapping 對時間表面CNT 成長的比較ㄧ ......68
圖4-23 銅基材溫度與Lapping 時間對表面CNT 成長的比較二......69
圖4-24 表面含30、60 μm 氧化層的鋁(1050)基材.............................70
圖4-25 未做氧化層的鋁(1050)經熱壓處理後表面形貌的變化.........71
圖4-26 含30 μm 氧化層的鋁(1050)經熱壓處理後表面形貌的變化.72
圖4-27 含60 μm 氧化層的鋁(1050)經熱壓處理後表面形貌的變化.73
圖4-28 未做氧化層的鋁(1050)加鐵粉後熱壓處理Edx 分析.............73
圖4-29 含30 μm 氧化層的鋁(1050)加鐵粉後熱壓處理Edx 分析....74
圖4-30 含60 μm 氧化層的鋁(1050)加鐵粉後熱壓處理Edx 分析....74
圖4-31 SEM 在50 倍下觀察鋁(1050)成長完CNT 表面.....................76
圖4-32 SEM 在1K 倍下觀察鋁(1050)成長完CNT 表面....................77
圖4-33 SEM 在30K 倍下觀察鋁(1050)成長完CNT 表面..................78
圖4-34 銅基材成長CNT 前後溫度對時間的變化..............................81
圖4-35 鋁(6063)基材成長CNT 前後溫度對時間的變化...................82
圖4-36 有無氧化層的鋁(1050)基材成長CNT 前後溫度對時間的變化
..........................................................................................................82
圖4-37 有無氧化層的鋁(1050)基材溫度對時間的變化.....................82
圖4-38 熱像儀0 秒拍攝........................................................................83
圖4-39 熱像儀30 秒拍攝......................................................................83
圖4-40 熱像儀1 分0 秒拍攝................................................................84
圖4-41 熱像儀1 分30 秒拍攝..............................................................84
圖4-42 熱像儀2 分0 秒拍攝................................................................85
圖4-43 熱像儀2 分30 秒拍攝..............................................................85
圖4-44 熱像儀3 分0 秒拍攝................................................................86
圖4-45 熱像儀3 分30 秒拍攝..............................................................86
圖4-46 熱像儀4 分0 秒拍攝................................................................87
圖4-47 熱像儀4 分30 秒拍攝..............................................................87
圖4-48 熱像儀5 分0 秒拍攝................................................................88
圖4-49 熱像儀5 分30 秒拍攝..............................................................88
圖4-50 熱像儀6 分0 秒拍攝................................................................89
圖4-51 熱像儀6 分30 秒拍攝..............................................................89
圖4-52 熱像儀7 分0 秒拍攝................................................................90
表目錄
表1-1 四種碳不同碳的同素異形體的比較............................................3
表1-2 奈米碳管的由來............................................................................4
表2-1 奈米碳管和其他碳物質的物理性性質比較..............................12
表2-2 單層奈米碳管的物理性質..........................................................13
表2-3 奈米碳管三大主要合成方法的比較..........................................19
表4-1 矽上鍍不同厚度金膜的CVD 成長奈米碳管參數...................49
表4-2 矽上鍍有Ir 膜層的CVD 成長奈米碳管參數...........................54
表4-3 鋁(6063)Lapping 完CVD 成長奈米碳管參數..........................60
表4-4 黃銅Lapping 完CVD 成長奈米碳管參數................................67
表4-5 有無氧化層的鋁(1050)加鐵粉熱壓完CVD 成長奈米碳管參數
......................................................................................................75
表4-6 熱傳導係數表..............................................................................79
表4-7 黃銅和鋁(6063)在成長CNT 前後加熱時每隔30 秒量一次溫度
......................................................................................................80
表4-8 鋁(1050)在成長CNT 前後加熱時每隔30 秒量一次溫度.......81
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