奈米尺度電化學界面的研究

本計畫將利用原位掃描電子穿隧顯微鏡 (STM) 和全反射式紅外光譜法(ATRIR)及電化學方法來探討具規則結構的電化學介面，主要的內容是電催化、電沉積、電聚合等。燃料電池一直是電催化研究中最重要的應用，它基本上透過在電化學催化劑上將物質氧化及還原後，將化學能轉化為電能。由於最終只有產生水，因此它應該是最終零污染的能源，這對環境防治特別敏感的今天顯的格外重要。鉑以其好的電催化特性已廣泛應用於燃料電池中的陰極和陽極，催化燃料電池中的氧還原反應、甲醇氧化、 甲酸氧化等。但為成本考量，減少昂貴的鉑的使用量來達到運作的目的，可加強此科技的競爭力。在此要開發新的省錢的電極材料，提議開發由較便宜的金屬材料為載體覆蓋單層鉑原子為電極，研究鉑單原子膜的製備方法及探討這些單層鉑原子的電化學特性，及其在電化學環境的穩定度。電鍍是長久一來電化學的重要應用，在邁入奈米的科技尺度的今天，沉積銅、 鎳和鈷更顯得重要。以現代半導體加工中，矽晶片上連線電子元件的導線為例，一直是透過電化學中電鍍技術來達成，電鍍雖然歷史悠久，但至今仍被視為一門藝術，而不是科學，原因就是在電鍍過程中有複雜的介面電化學發生，但吾人對這些化學過程仍所知有限。在缺乏深入的認知下，這些工業的製程有時很難掌控，有時會發生無法預測的狀況。在此提出研究的構想，試圖使用掃描探針和振動光譜瞭解電鍍過程的詳細內涵。尤其是針對現今半導體加工中"超集中"電鍍所需的表面活性劑的吸附過程來做研究。例如，聚乙二醇(PEG)是銅製成中的抑制劑，它通常用於延緩金屬銅在局部地區的沉積。雖然PEG 是電銅鍍液中的常用配方，但其運作機制一直不清楚。有些研究人員宣稱氯離子是PEG 運作的必要幫手，但未獲其他研究的認同。儘管一些研究聲稱PEG 分子不能以STM 做檢測，但我們已成功取得了以STM 研究PEG 的初步成果，顯示在一定條件下可”看到”金電極上吸附的PEG 分子。同時，一些有機分子如bis-3-sodiumsulfopropyl-disulfide (SPS)和mercaptopropanic sulfonic acid (MPS)在鍍銅製成中扮演加速劑的角色，但他們提升鍍銅的細節也未得到一致的結論。這些問題是未來半導體加工技術的重要課題，也許可影響數以萬計臺灣人的生計。而相同的論點也適用於鎳和鈷的沉積，他們被用來製備開關及磁性薄膜材料。但現今科技競逐的時代，吾人需要掌握電鍍技術方能達到精確的奈米厚度、確切的原子結構、及特殊的薄膜形貌，這些需求只有在深入了解電化學的機制後方可實現。