學位論文
Permanent URI for this collectionhttp://rportal.lib.ntnu.edu.tw/handle/20.500.12235/73894
Browse
7 results
Search Results
Item 飛秒雷射製作可撓性聚醯亞胺異質結構元件於氣體檢測之研究(2022) 葉力維; Yeh, Li-Wei本研究是利用超快飛秒雷射(Ultrafast femtosecond laser)之超短脈衝(Ultrashortpulses)的特性，在聚醯亞胺(Polyimide, PI)薄膜基材，製作指叉狀電極結構(Interdigitated electrode structures)元件於氣體檢測(Gas detection)，該超快雷射製程具較小熱影響區(Heat-affected zone)，以能進行可撓性基材之結構製作。為增加此元件感測之靈敏度，本研究亦利用水熱法製成氧化鋅(Zinc oxide)奈米線結構(Nanowires)，在飛秒雷射製程製作之石墨烯PI電極元件上，以成型新穎複合結構元件於氣體檢測，以增加感測響應值。本研究顯示該可撓性元件可避免受力而導致斷裂、破壞的現象，且當彎曲曲率半徑小於6 mm響應值仍屬穩定(誤差值±3%)。元件設計的微型加熱器方面顯示，在一氧化碳(Carbon monoxide, CO)氣體從室溫到85.6°C可縮短恢復時間為86.2sec；甲烷(Methane, CH4)氣體則從室溫到約86.8°C可縮短恢復時間為117.2 sec。因此，在氣體感測元件方面顯示，一氧化碳和甲烷氣體檢測於200濃度200 ppm，其元件在甲烷與一氧化碳氣之電性響應值會分別為20.7 %和120.8 %。藉此，本研究證明氧化鋅/石墨烯可撓性微性加熱元件於一氧化碳和甲烷氣體濃度具有良好的恢復性，分別在1000 sec和1600 sec可恢復至初始電阻值，且該元件靈敏度則在加熱升溫環境會別為0.6728與0.0434為最佳。透過此研究，將可提供飛秒雷射製程於氣體檢測元件之應用參考。 關鍵詞: 飛秒雷射、可撓性元件、石墨烯、奈米線、氣體檢測Item 選擇性飛秒雷射結構技術於碳化矽基材之氣體檢測元件研究(2022) 陳家鏵; Chen, Chia-Hua本研究旨是利用選擇性超快飛秒雷射製程技術(Selective femtosecond laser structuring technology)，其超短脈衝之非線性吸收及極低的熱影響區(Heat-affected zone, HAZ)加工特性，在碳化矽(Silicon carbide, SiC)基材進行多尺度複合結構之探討及氣體檢測元件開發。首先，本研究採用飛秒脈衝雷射於碳化矽表面進行製程，在剝離閥值(Threshold)為1.51 J/cm2，探討多發脈衝行為所產生之孵化效應(Incubation effect)，其孵化係數為S=0.8667±0.035。同時，本研究使用不同能量密度進行雷射誘導週期性表面結構(Laser induced periodic surface structures, LIPSS)，該結果顯示隨著能量密度提高，奈米波紋狀結構逐漸亂序排列；隨後以拉曼光譜量測不同能量密度對材料所產生之特性變化，當載流子密度(Carrier density)隨能量密度上升而增加時，所量測到的特徵峰向更高波數側移動且峰形變寬、峰值強度降低，表明分子的化學鍵長度與結構分佈發生變化。進一步，本研究描述了雷射誘導的載流子失衡行為，利用福克-普朗克方程式(Fokker–Planck equation)修改的時間相依雙溫模型(Two-temperature model, TTM)，分析雷射剝離行為、電子溫度、晶格溫度與載子密度的暫態變化。在氣體檢測元件製備方面，本研究會利用選擇性飛秒雷射製作石墨烯(Graphene) SiC基材之加熱元件，在高溫度為132.9 °C，進行該複合檢測元件應用於一氧化氮(Nitric oxide, NO)檢測，其氣體響應值(Response)於50 ppm與300 ppm分別為6.5 %與19.2 %。最後，本研究利用石墨烯電極結構摻雜二硫化鉬(MoS2)之二維材料，使其產生高比表面積，提供更高的吸附能力進而提升檢測元件性能，相較於室溫環境下之檢測，顯示提升2.08倍的靈敏度(Sensitivity)，完成飛秒雷射技術於碳化矽基材之氣體檢測應用研究。關鍵詞：飛秒雷射、碳化矽、週期性表面結構、石墨烯微熱元件、二硫化鉬、氣體偵測Item 利用超快雷射製程製備石墨烯結構元件應用氣體偵測之研究(2022) 周承穎; Chou, Cheng-Ying本研究旨在利用超快雷射(Ultrafast laser)製程技術於石墨烯薄膜 (Graphene thin films)上製作電極與結構元件(Devices)，並將其應用於氣體偵測(Gas detection)，透過超快雷射製程成型薄膜表面與結構，進行製程參數的建置與分析，以利評估後續透過超快雷射製程於偵測元件的可行性。在超快雷射製程技術開發中，本研究採用超快雷射中波長為532 nm的皮秒雷射源(Picosecond laser source)，在較低的熱影響區(Low heat-affected zone)之製程機制條件下，以應用於薄膜結構元件上的製作。本研究利用超快雷射於石墨烯薄膜上製作間距2 mm的螺旋狀電極(Spiral electrode)與寬度和深度分別為22.43 m與12.48 m的指叉狀電極(Interdigitated electrode, IDE)元件，並且製作寬度和深度分別為25.81 m與15.24 m的微溝槽(Microgroove)結構元件。另一方面，本研究探討不同材料對氣體的偵測機制，包括石墨烯、氧化鋅奈米線(ZnO nanowires)以及還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide, rGO)；其中，利用螺旋狀電極搭配無線傳感模組(Wireless module)進行氣體偵測。此外，本研究會搭配水熱法(Hydrothermal method)和電紡絲法(Electrospinning method)的方式，在微溝槽與指叉狀電極上製作奈米線(或奈米纖維)，完成氣體偵測元件的研製。本研究結果顯示，利用超快雷射製程開發的氣體偵測元件，可實際應用在室溫下氣體偵測，包括偵測濃度5-150 ppm的一氧化碳(Carbon monoxide, CO)，以及偵測50-400 ppm的一氧化氮(Nitric oxide, NO)。Item 以超快雷射製作石墨烯/二硫化鉬元件結構於氣體檢測(2021) 韓同耀; Han, Tong-Yao本研究利用超快雷射製程 (Ultrafast laser processing technique)進行製作設計的微型加熱感測元件及其特性探討，同時整合二硫化鉬(Molybdenum disulfide, MoS2)材料，以開發異質結構(Heterostructure)元件於氣體檢測(Gas detection)應用。本研究是採以有限元素法(Finite element method, FEM)，在設計的串/並聯電路之微加熱結構元件，進行熱性能和電路的電流密度之預測。在實驗方面，是利用超快雷射直寫技術於石墨烯(Graphene)薄膜，其固定重複率為 300 kHz，在振鏡掃描速度為 300 mm/s及雷射能量密度為 2.19 J/cm2，進行製程路徑次數 2 次後，完成不同寬度的薄膜電極元件製作及其檢測元件特性分析。研究結果顯示：在施加相同電壓條件下，串聯電路結構的微加熱器穩態溫度較低，且穩態溫度受電路形狀的影響較大，其原因是串聯電路結構的電阻會明顯大於並聯電路結構，因此該元件通過的電流較小，產生的焦耳熱也較小。此外，本研究於石墨烯感測元件搭配MoS2溶液，以滴鍍(Drop casting)技術，開發MoS2/石墨烯微型加熱感測元件，並比較石墨烯微型加熱感測元件，進一步進行氣體檢測之靈敏度探討。本研究結果在石墨烯微型加熱感測元件方面，顯示在溫度於92 oC時，該元件偵測氣體濃度於100、300和500 ppm時，氣體響應值(Response)會分別為1.4 %、7.2 %和17.7 %。本研究結果在MoS2/石墨烯微型加熱感測元件方面，顯示在溫度於92 oC時，該元件偵測氣體濃度於100、300和500 ppm時，氣體響應值分會別為1.7 %、4.9 %和12.3 %。因此，本研究證明MoS2/石墨烯微型加熱感測元件具有良好的恢復性，在50 s內該元件的檢測電阻可以恢復至原始電阻。Item 超快雷射多尺度複合結構實現氣體檢測應用之研究(2019) 杜晨廷; Tu, Chen-Ting本研究是利用超快雷射(Ultrafast laser)之超短脈衝(Ultrashort pulses)的特性，進行多尺度複合結構(Multiscale composite structures)元件製作，進而應用於氣體檢測(Gas detection)。由於該雷射製程具較小熱影響區(Heat-affected zone)，以能精確進行尺寸的製作。本研究超快雷射製程是在導電石墨烯(Graphene)薄膜基材上，進行圖案化電極(Electrode)結構元件，其結構包括指叉狀元件(Interdigitated electrodes, IDEs)和微溝槽(Microgrooves)。另一方面，為結合導電奈米線於微結構元件，本研究透過水熱法(Hydrothermal)生長氧化鋅(ZnO)奈米線於指叉狀元件上，且在微溝槽生長氧化鋅奈米線，並調控浸泡種晶層溶液時間生長氧化鋅奈米線，將元件電阻從106 下降至約550 。本研究發現在生長溶液中添加甲醇(Methanol)為界面活性劑，將有助於於微結構底部生長氧化鋅奈米線。最後，本研究會於兩種氣體感測元件結構設計，進行不同氣體濃度一氧化氮(Nitric oxide, NO)之檢測探討。本研究結果顯示以指叉狀元件結構氣體感測元件，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值(Response)為6%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值可為18%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值可為31%。以微溝槽作為氣體感測元件時，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值為11%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值為22%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值為40%。Item 應用超快雷射技術於石墨烯奈米銀金屬粒/聚醯亞胺複材之熱檢測元件探討(2020) 蕭鈞庭; Hsiao, Chun-Ting本研究利用超快雷射製程技術(Ultrafast laser processing technique)進行微結構(Microstructures)之熱元件(Heating device)製作及其特性之探討，以應用於氣體檢測(Gas detection)。在本研究中會使用超快雷射直寫技術分別於石墨烯(Graphene)/聚醯亞胺(Polyimide, PI)基材及奈米銀(Silver nanoparticles, AgNPs)/石墨烯/PI基材進行雷射測試，固定重複率為300 kHz、加工次數3次下，在振鏡掃描速度為500 mm/s及雷射能量密度為2.45 J/cm2，完成薄膜製程及元件製作，並依此參數製作不同寬度熱檢測元件。研究顯示在相同寬度5 mm下，石墨烯/PI基板給予功率6.10 W時，最高溫約134 ℃；奈米銀/石墨烯/PI基板給予功率5.83 W時，最高溫約104 ℃。另外，在相同寬度6 mm下，石墨烯/PI基板給予功率為6.10 W時，最高溫約110 ℃；奈米銀/石墨烯/PI基板給予功率4.48 W時，最高溫約113 ℃。進一步本研究顯示在寬度6 mm之奈米銀/石墨烯/PI基材熱檢元件，能給予較少功率，產生出100 ℃以上溫度，且基材彎曲90 o時，溫度仍能維持在100 ℃以上。同時，本研究搭配設計所製作的指叉狀(Interdigitated)電極元件進行氣體量測，研究顯示在一氧化氮(Nitric oxide, NO)濃度為650 ppm時，該元件電阻值可從78 上升至85 ，氣體響應值約9 %，且氣體響應值會隨氣體濃度增加而上升。Item 以皮秒雷射多孔薄膜元件技術於氣體檢測之研製與實現(2017) 甘鎧榕; Gan, Kai-Rong氣體檢測晶片及其模組開發技術，一直為空氣與環境監控的重要關鍵。近年來，雷射製程科技的發展迅速，超短脈衝(Ultra-short pulse)雷射之微細製程技術，也多應用在電子、機械與生醫工程領域。本研究採用超短脈衝雷射之微細製程技術進行材料進行電極及感測器之製備，與一般半導體製程之感測器相比於設計及初步研究時製程速度較快，即無需微影製程等複雜之步驟就可完成製作。本研究透過皮秒脈衝雷射直寫(Picosecond laser direct-writing)於石墨烯(Graphene)薄膜上進行感測圖型之製作，其構型有線圈式與指叉式結構，並探討二種結構對氣體感測結果之影響。最後再試著與3D之多孔材料製成之氣體感測器比較。本研究結果顯示線圈結構式感測器type 2 (3圈)對於水氣的反應靈敏，當相對濕度RH = 47% ~ 70%時，該電阻之檢測值可自1902 Ω至1934 Ω，其靈敏度(Sensitivity)為2.3%，且在量測一氧化碳(CO)氣體，該電阻之檢測值可自1823 Ω降低至1780 Ω，其靈敏度為1.6%。另外，使用氧化石墨烯多孔結構與平面指叉狀結構量測相對濕度RH = 45% ~ 65%進行比較，在氧化石墨烯多孔結構於電阻之檢測值會由10.8 MΩ降至0.18 MΩ，其靈敏度為99%，於指叉狀結構之感測器，其電阻之檢測值由2.22 kΩ上升至2.36 kΩ，其靈敏度為7.2%，顯示立體多孔結構其感測能力較為靈敏且對水氣之反應較快，且易達到穩定。