隨著半導體製程進步，各種電子元件開始邁向奈米化趨勢，當傳統IC元件中的二氧化矽（SiO2）閘極絕緣層厚度薄至2 nm時，閘極與基板間直接穿隧的漏電流將大到無法被接受。為了解決漏電流問題，高介電常數（High-k）材料（>3.9 of SiO2）的開發應用越來越受到重視。已有研究顯示鈦酸鹽類 (metal titanate；MTiO3) 薄膜由於其高介電係數，極有潛力成為未來一世代的替代性材料。
在本論文中，我們針對鈦酸鈷 (cobalt titanate；CoTiO3) 做一系列的研究。我們藉以利用溶膠凝膠法(sol-gel method)改變不同的實驗條件，如：溶劑、金屬鹽類錯合物、加酸與否…等條件來製備CoTiO3粉末，近一步簡化CoTiO3前驅物溶液的配製，並利用旋轉塗佈法（spin-coating）在各種條件下製備CoTiO3薄膜，再利用X光粉末繞射(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)、歐傑電子分析(AES)、化學電子分析(ESCA)等分析其物理、化學性質，並加以探討其反應機制。

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壹、緒論………………………………………………………………….1
一、前言…………………………………………………………….1
二、基本理論……………………………………………………….2
貳、文獻回顧…………………………………………………………….6
一、研究背景…………………………………….…………………6
二、CoTiO3合成發展………………………………………………7
三、研究動機……………………………………………………….8
參、實驗…………………………………………………………………..9
一、實驗藥品及儀器設備…………………………………………..9
1. 實驗藥品………………………………………………….9
2. 實驗儀器設備...…………………………………………10
二、CoTiO3合成步驟………………………………………...…….11
1. 實驗流程圖……………………………….……...……...11
2. CoTiO3粉末合成步驟...………………….……...……....12
3. CoTiO3薄膜合成步驟...………………….……...……....20
4. 矽晶片基板的清洗……………………….……...……...21
5. 儀器分析測試條件……………………….……...……...22
肆、結果與討論…………………………………………………………25
一、不同反應條件對於CoTiO3粉末形成的影響………………...26
1. 熱處理溫度的影響……………………………………...26
2. 鈷鈦莫耳數比的影響…………………………………...28
3. 添加酸的影響…………………………………………...30
4. 溶劑的影響……………………………………………...32
5. 鈷金屬鹽化合物的影響………………………………...34
二、CoTiO3粉末的性質探討………………………………………40
1. 不同熱處理溫度所得粉末之X-ray繞射圖………….....40
2. 不同熱處理溫度所得粉末之掃描式電子顯微鏡(SEM)
圖………………………………………………………...43
3. 不同熱處理溫度所得粉末之穿透式電子顯微鏡(TEM)
圖………………………………………………………...50
4. 不同熱處理溫度所得粉末之粒徑分析………………...54
5. 不同熱處理溫度所得粉末之BET比表面積分析……...57
6. 不同熱處理溫度所得粉末之化學分析電子光譜（ESCA）
分析……………………………………………………...58
三、CoTiO3薄膜的性質探討………………………………………60
（A）基板：Si3N4�Si Wafer CoTiO3前驅物溶液濃度：0.046M
1. 不同熱處理溫度所得薄膜之X-ray繞射圖……………61
2. 不同熱處理溫度之薄膜掃描式電子顯微鏡（SEM）
圖………………………………………………………...63
3. 不同熱處理溫度薄膜之化學分析電子光譜（ESCA）
分析……………………………………………………...70
4. 不同熱處理溫度薄膜之歐傑電子光譜（AES）
分析……………………………………………………...73
（B）基板：SiO2�Si Wafer CoTiO3前驅物溶液濃度：0.046M
1. 不同熱處理溫度所得薄膜之X-ray繞射圖……………76
2. 不同熱處理溫度之薄膜掃描式電子顯微鏡（SEM）
圖………………………………………………………...78
（C）基板：SiO2�Si Wafer CoTiO3前驅物溶液濃度：0.186M
1. 不同熱處理溫度所得薄膜之X-ray繞射圖……………86
2. 不同熱處理溫度之薄膜掃描式電子顯微鏡（SEM）
圖………………………………………………………...88
3. 不同熱處理溫度薄膜之化學分析電子光譜（ESCA）
分析……………………………………………………...96
四、CoTiO3形成的反應機制探討…………………………………99
1. 前驅物合成步驟……………………………………….100
2. 鈦前驅物（X）鑑定…………………………………...101
(a) NMR光譜鑑定……………………………………..101
(b) 質譜鑑定…………………………………………...103
3. 鈷前驅物（Y）鑑定……………………………………105
(a) 熱重分析（TGA）與示差掃描熱量分析（DSC）
………………………………………………………105
(b) 質譜鑑定…………………………………………...107
4. 鈷鈦前驅物（Z）鑑定…………………………………109
(a) 熱重分析（TGA）與示差掃描熱量分析（DSC）
………………………………………………………109
(b) 質譜鑑定…………………………………………...110
伍、結論………………………………………………………………113
陸、參考文獻…………………………………………………………114
圖目錄
圖1-1：溶膠凝膠法製程圖………………………………………………4
圖2-1：CoTiO3之晶體結構圖（不同視角）……………………………6
圖3-1：CoTiO3粉末與薄膜製備流程圖………………………………11
圖4-1：實驗一經不同熱處理溫度所得之粉末的X-ray繞射圖………27
圖4-2：不同鈷鈦莫耳數比經800℃熱處理後之粉末的X-ray繞射
圖……………………………………………………………...29
圖4-3：添加酸與否經800℃熱處理後之粉末的X-ray繞射圖………31
圖4-4：不同溶劑經800℃熱處理後所得之粉末的X-ray繞射圖……33
圖4-5：不同鈷化合物經700℃熱處理後所得之粉末的X-ray繞射
圖……………………………………………………………...35
圖4-6：不同鈷化合物經700℃熱處理後所得之粉末的X-ray繞射
圖……………………………………………………………...37
圖4-7：不同鈷化合物經700℃熱處理後所得之粉末的X-ray繞射
圖……………………………………………………………...39
圖4-8：實驗四經不同的熱處理溫度所得粉末之X-ray繞射圖………41
圖4-9：不同的熱處理溫度vs.粉末結晶顆粒大小……………………42
圖4-10：實驗四經500℃熱處理後所得之粉末SEM圖………………44
圖4-11：實驗四經550℃熱處理後所得之粉末SEM圖………………45
圖4-12：實驗四經600℃熱處理後所得之粉末SEM圖………………46
圖4-13：實驗四經700℃熱處理後所得之粉末SEM圖………………47
圖4-14：實驗四經800℃熱處理後所得之粉末SEM圖………………48
圖4-15：實驗四經900℃熱處理後所得之粉末SEM圖………………49
圖4-16：500℃熱處理後所得之粉末(a)TEM及(b)電子繞射圖………51
圖4-17：550℃熱處理後所得之粉末(a)TEM及(b)電子繞射圖………51
圖4-18：600℃熱處理後所得之粉末(a)TEM及(b)電子繞射圖………52
圖4-19：700℃熱處理後所得之粉末(a)TEM及(b)電子繞射圖………52
圖4-20：800℃熱處理後所得之粉末(a)TEM及(b)電子繞射圖………53
圖4-21：900℃熱處理後所得之粉末(a)TEM及(b)電子繞射圖………53
圖4-22：500℃熱處理後所得之粉末粒徑分佈圖……………………54
圖4-23：525℃熱處理後所得之粉末粒徑分佈圖……………………55
圖4-24：550℃熱處理後所得之粉末粒徑分佈圖……………………55
圖4-25：600℃熱處理後所得之粉末粒徑分佈圖……………………55
圖4-26：700℃熱處理後所得之粉末粒徑分佈圖……………………56
圖4-27：800℃熱處理後所得之粉末粒徑分佈圖……………………56
圖4-28：900℃熱處理後所得之粉末粒徑分佈圖……………………56
圖4-29：不同熱處理溫度所得粉末的Co2p區域之化學位移光譜圖…59
圖4-30：不同熱處理溫度所得粉末的Ti2p區域之化學位移光譜圖…60
圖4-31：不同熱處理溫度所得粉末的O1s區域之化學位移光譜圖…60
圖4-32：不同的熱處理溫度所得薄膜之X-ray繞射圖
鈦酸鈷前驅物溶液濃度：0.046M……………………………62
圖4-33：經500℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………64
圖4-34：經550℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………65
圖4-35：經600℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………66
圖4-36：經700℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………67
圖4-37：經800℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………68
圖4-38：經900℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………69
圖4-39：不同熱處理溫度所得薄膜的Co2p區域之化學位移光譜圖…71
圖4-40：不同熱處理溫度所得薄膜的Ti2p區域之化學位移光譜圖…72
圖4-41：不同熱處理溫度所得薄膜的O1s區域之化學位移光譜圖…72
圖4-42：經500℃熱處理所得之薄膜縱深成分分析…………………74
圖4-43：經550℃熱處理所得之薄膜縱深成分分析…………………74
圖4-44：經800℃熱處理所得之薄膜縱深成分分析…………………75
圖4-45：經900℃熱處理所得之薄膜縱深成分分析…………………75
圖4-46：不同的熱處理溫度所得薄膜之X-ray繞射圖
鈦酸鈷前驅物溶液濃度：0.046M……………………………77
圖4-47：經500℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………79
圖4-48：經525℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………80
圖4-49：經550℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………81
圖4-50：經600℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………82
圖4-51：經700℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………83
圖4-52：經800℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………84
圖4-53：經900℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………85
圖4-54：不同的熱處理溫度所得薄膜之X-ray繞射圖
鈦酸鈷前驅物溶液濃度：0.186M……………………………87
圖4-55：經500℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………89
圖4-56：經525℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………90
圖4-57：經550℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………91
圖4-58：經600℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………92
圖4-59：經700℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………93
圖4-60：經800℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………94
圖4-61：經900℃熱處理後所得之薄膜SEM圖………………………95
圖4-62：不同熱處理溫度所得薄膜的Co2p區域之化學位移光譜圖…97
圖4-63：不同熱處理溫度所得薄膜的Ti2p區域之化學位移光譜圖…97
圖4-64：不同熱處理溫度所得薄膜的O1s區域之化學位移光譜圖…98
圖4-65：鈦前驅物（X）的1H-NMR光譜in C6D6……………………102
圖4-66：鈦前驅物（X）的13C-NMR光譜in C6D6……………………102
圖4-67：鈦前驅物（X）的電子撞擊式質譜圖（EI-MS）…………103
圖4-68：鈷前驅物（Y）之TGA和DSC圖……………………………106
圖4-69：（Co(CH3COO)2．4H2O）之TGA和DSC圖…………………106
圖4-70：鈷前驅物（Y）的電子撞擊式質譜部分區域圖（EI-MS）
(a) 210℃ (b) 230℃ (c) 醋酸 (d) 二甲氧基乙醇標準MS圖
………………………………………………………………108
圖4-71：鈷鈦前驅物（Z）之TGA和DSC圖…………………………109
圖4-72：鈷鈦前驅物（Z）的電子撞擊式質譜部分區域圖（EI-MS）
(a) 160℃ (b) 230℃ (c) 醋酸 (d) 二甲氧基乙醇標準MS圖
………………………………………………………………111
表目錄
表3-1：實驗用藥品………………………………………………………9
表3-2：實驗儀器及設備……………………………………………….10
表4-1：不同熱處理溫度所得粉末之BET 比表面積分析、平均粒徑
與平均結晶顆粒（DXRD) ……………………………………..57

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