電漿輔助沉積類石墨烯牆奈米碳於奈米矽片之研究

Abstract

本研究專注探討鋰離子電池陽極材料，目前商業化鋰離子電池陽極材料為石墨，石墨陽極於長時間充放電後不會有枝晶鋰產生，使其在應用上具有安全性與生命週期長優勢，但石墨陽極的理論電容值(theoretical capacitance)約為372 mAhg-1，故?多研究專注於找尋更高理論電容值之材料取代石墨。以矽材料作為鋰離子電池陽極材料，因其理論電容值約為4200 mAhg-1，遠高於石墨陽極之理論電容值且矽具無毒性與儲量豐富，但矽陽極於充放電過程中具有大體積膨脹率(體積膨脹率約為 400%)使矽陽極粉碎導致儲電電容量快速下降。目前文獻中改善矽陽極方法有(1)矽奈米結構 (2)多孔矽結構與(3)矽-碳複合結構，本研究專注於探討以電漿輔助沉積類石墨烯牆奈米碳包覆奈米矽片之複合結構。 本研究使用奈米矽片(Si flake)作為鋰離子電池陽極材料，並搭配微波電漿輔助化學氣相沉積系統(Microwave Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition MPECVD )進行類石墨烯牆奈米碳備製，使用氬氣、氫氣、氮氣與甲烷混合氣體激發電漿與奈米矽片作用，氬氣係一載流氣體協助製程氣體導入亦可幫助甲烷氣體解離C-C二聚體自由基幫助類石墨烯牆奈米碳成長，氫氣可作為清潔氣體，清除奈米矽片表面之原生氧化層(Native Oxide layer)，而甲烷則是製程中主要碳源，藉由解離出C-C二聚體自由基，成長類石墨烯牆奈米碳結構，此外，本研究係使用奈米鑽石與碳黑二種材料做為類石墨烯牆奈米碳成長之碳成核點，並分析此二種材料對於類石墨烯牆奈米碳-矽複合結構成長是否有所助益。 本研究使用分光光譜儀進行製程電漿組成分析，拉曼光譜儀與掃描式電子顯微鏡作為類石墨烯牆奈米碳分析，拉曼頻譜圖可藉由觀測D-band、G-band與2D-band三峰值強度大小判斷碳材料結構缺陷與層數；而電子顯微鏡則可直觀瞭解此材料結構型態。

Date of Award	2018 Jul 19
Original language	Chinese
Supervisor	Yon-Hua Tzeng (Supervisor)