TWI253386B - Method for preparing self-synthesized tungsten carbide nano-grade wires - Google Patents

Description

1253386 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 纟發明s有關於-種奈米線的製造方法，特別是 種碳化鎢奈米線之製備方法。 曰 【先前技術】 近年來於奈米製程技術與材料研發上，開發能自我人 成且具優異場發射特性之新穎材料，已成為各研究機構積 極發展之重點。奈米材料大致可分碳基（carb—ased)盘非 碳基（_-carb〇n-based)兩種。在碳基奈米材料方面，由於 奈米碳管（Carbon Nanotubes，咖）具有質輕、高導電性 、高長度/直徑比，&良好的熱與化學穩定性，因㈣、 研發或應用方面皆備受囑目，尤其是在碳基場發射源^ 方面。然而，目前傳統奈米碳管（CNTs)其場發射特性 射電流密度為1μΑ^之條件下，其所需之導通電場偏: ，約在2〜3 ν/μιη左右。另外，典型奈米碳管之合成方: 主要有電弧放電法、雷射閃蒸法、及目前普遍被採用之觸 媒辅助化學氣相沈積法等，但上述製備方法除牽涉 製程設備外，觸媒輔助化學氣相沉積法更須先在— 沈積-觸媒層（鐵、钻、鎳等材料）後，再輔以化^ 沈積法（CVD)進行奈米碳f的生成，且在觸媒材料之執目 裂解控制與大面積成長的均勻性等問題上均較顯繁難。…、 而非碳基奈米材料方面，由於鎢金屬或其相關化 之奈米結構材料具有與CNTs類似之特性，且其奈米尺寸可 較CNTS為小，因此在場發射方面之應㈣具潛力。、可 5 1253386 【發明内容】 口此’本發明之目的，即在提供-種不f使用觸媒層 且可方便快速製備碳化鎢奈米線之方法。

人、於疋，本發明自行合成式碳化鎢奈米線之製備依序包 、下V驟·（ A )於該基板頂面被覆一碳化鎢薄膜。及（B )將，被覆碳化鎢薄膜之基板進行熱退火處理，而於該碳 化鎢相表面形成多數碳化鎢奈米線，退火溫度45〇〜8〇(TC 籲 ，相對退火時間2·5 hr〜5 min。 • 藉由碳化鎢薄膜於熱退火處理過程中之晶相變化，而 彳在不需觸媒層的輔助下，於該碳化鎢薄膜表面產生高密 度之碳化鎢奈米線。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖示之一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 • 如圖1、2所示，本發明自行合成式碳化鎢奈米線之製 備方法的較佳實施例依序包含以下㈣：（一）；青洗乾燥基 板、（二）沉積碳化鎢薄膜、及（三）熱退火處理。以下則 針對各步驟逐一進行詳細之說明。 • 步驟（）凊洗乾燥基板。本步驟之主要目的是要將 、 Ρ付著於忒基板3表面之雜質與油潰清除，由於該清洗與乾 k方式s為热習該項技術者所經常採用之技術，且非本發 月之改良重點，因此不再詳述。在本實施例中，所採用之 基板3材質為半導體，但實施時，該基板3之材質亦 6 1253386 可以是P-型半導體、玻璃、金屬或以上之組合，且實 不以上述材料為限。 '接著疋進仃步驟（二）沉積碳化鐫薄膜。利用滅鍍法 將m積於該基板3頂面，而形成所需之碳化鎮薄 \ ’、中奴化鎢純度^99·5% ,濺鍍功率為200 w，沉 =速率為0.36 A/Sec ’真空條件為7 6χ 1〇-3 w，氬氣流量 ⑽’而碳化鎢薄膜4之厚度為1〇〜5〇〇_。 :本實施例中，所採用之碳化鎢為wc，但實施時，該 ^匕鎢亦可以是WC2、WC3等。而沉積該碳化鎢薄膜4之 採用化學氣相沉積法，但實施時，碳化鶴之成分 “化鎢薄膜4的製造方法皆不以上述型態為限。 ，完成碳化鎢薄膜4後，便可將該已沉積碳化鎮薄膜4 土板3置入一濟營Γ 丰-λ山 ,^ ce (圖未不）中，進行步驟（三）熱退 =理充在二實施例中，是將已沉積碳化輪^ 石户化㈣膜(N2)的”環境中進行熱退火處理，使 析出鶴=4中的碳於退火過程中，由碳化物4表面 :，V致碳化嫣薄膜4之晶相φ wc轉變“c，而於 她鎢薄膜4表面析出形 · 4〇。其中，退火溫度範圍彻省c，而所Γ化嫣奈米線 隨著退火溫度的升高而相$^丨 而之退火時間則 min。,^ π而相對減少，相對退火時間為2.5 hr〜5 …在本貫施例中，該爐管中之氣體為氮氣 该氣體亦可以是氬氣（Α〇 -、&、 舳、戸ί 士 乂虱乱興虱虱之組合。另外， …U火處理並不限於採用爐管，亦可 量控制之加熱系統。 用其他可供氣體流 7 1253386 以下乃疋針對本發明之方法所產生的碳化鎢奈米線4〇 ，=行結構觀察與特性分析之結果，其中，所採用之基板3 材質為卜型半導體，碳化鎢薄膜4厚度為60 _，退火溫度 700°C，退火時間30 min。 -石囷3所示，為本貫施例於該碳化嫣薄膜*表面產 生之碳化鎢奈米線4G，該_化鎢奈米線4q的分布密度約 為250〜260 ，長度則介於0.1〜0.3 μηι。 戈口圆 2 、 4

, 》所示，以穿透式電子顯微鏡（ΤΕΜ)針 對該等碳化鎢奈米線40進行微結構觀察可知，該等碳化鎢 奈米線40之管徑是介於12〜15脑，且長度/直徑比為 • 而藉由選區繞射法（selective area electron chffmcuon，SEAD )分析單一根碳化嫣奈米線扣之晶相的沾 果可知’《_奈米線4G係為—包含㈣仰叫及α_ W2C(002)結晶相的微結晶結構。 將經由敎處理3Gmin後所得之碳化鎢奈米線 4〇,貫際進行場發射電流·電㈣性測試，其中，受測基板 3頂面之面積為L5x 1〇-、2，進行測試之陰極（圓未示） 與陽極（圓未示）的間距為21〇 μιη，測試環境之真空度為 IX 1〇·7 W。由目6所示之場發射電流_電壓特性曲線；知 ，經70(TC退火處理後所製得碳化鎢奈米線仙於導通電流 密度為1 μΑ/cm2時，其導通電場僅為173 v/_。 机 歸納上述，藉由將該碳化鎢薄膜4於具有氮氣、氨氣 或以上之組合的退火環境中進行㈣火處理，並透 熱退火處理溫度與相對的熱處理時間，即可在無觸媒的辅 8 1253386 ，用碳化鎢薄膜4於熱退火過程所產生之晶相變化 具"域鎢溥膜4表面產生分布密度高達250〜260 奈^ 2直&比為U〜％的碳化鶬奈米、線4Q，且該等碳化鶴 :::0具有相當好的場發射特性，於導通電流密度為 Cm時’其導通電場僅約為1.73 V/μη!。 本&月之奴化鎢奈米線4Θ的製備方法可完全與 其^體相|，並具有可直接在半導體、玻璃、或金屬 基板上進行碳化鶴奈米線4Q製作之優點，而所需之製備裝 置亦皆為—般半導體製程中所經常採用之裝置，所以相當 方便。因itb，確實達到本發明之目的。

、上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當 此乂此限定本發明實施之範圍’即大凡依本發明申請專 利範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與儕飾，皆 仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是本發明自行合成式碳化鎢奈米線之製備方法的 一車父佳實施例之步驟流程圖； 圖2是該較佳實施例在圖丨各步驟時之流程示壽圖； 圖3是该較佳實施例所產生之碳化鎢奈米線的§ΕΜ圖 圖4是圖3之碳化鎢奈米線的TEM圖； 圖5疋圖3之單一碳化鎢奈米線的SAED圖；及 圖θ疋圖3之碳化鎢奈米線的場發射電流_電壓之特性 曲線圖。 9 1253386

【主要元件符號說明】 3………《基板 4 0…·'…碳化嫣奈米線 4*…石炭化嫣薄膜 10

Claims (1)

1. I253386 、申請專利範圍： -種自行合成式碳化鎢奈米線之製備方法，依序包含以 下步驟： 2 (A )於該基板頂面被覆一碳化鎢薄膜；及 ()將已被覆石厌化鎢薄膜之基板進行熱退火處理 、’而於该碳化鎢薄膜表面形成多數破化鶴奈米線，退火 溫度450〜800。〇，相對退火時間2.5 hr〜5 min。 依據申請專利範圍第1項所述 貝所迷之自仃合成式碳化鎢奈米 線之製備方法，中，半跡,Λ、θ ” 、 d #驟（八）是以賤鑛法或化學氣 相〉儿積法於該基板頂面被覆碳化鎢薄膜。 3.依射請專利範圍第2項所述之自行合成式碳化嫣奈米 線之製備方法，其中，該碳化鎮薄膜厚度範圍為 nm 〇 (依據"專利範圍第1項所述之自行合成式碳化鶴奈米 線之製備方法’其中，步驟（A)之基板是由半導體、 玻璃、金屬或以上之組合製成。 5.依據申請專利範圍第丨項所述之自行合 ^ 、兔化鎢奈米 線之製備方法，其中，步驟（B )是在含有_ ^ ^ 鐵4氣、租」氣 或以上之組合的環境中進行熱退火處理。 ’