Functional Coating
一. 表面改質與鍍膜技術
在材料的研究發展中，表面改質(surface modification)向來是技術研發的重點之一，合宜的表面改質除了能保有原基材(substrate)的性質，更能增加其效益，提高原材料的附加價值，其功能效益諸如：著色、硬度提升、增加抗蝕、耐磨耗性質、延長使用壽命或賦予其抗菌能力等。在表面改質的多項技術中，薄膜披覆係最受注目也是研究最為廣泛的項目之一，在材料科技發展扮演舉足輕重的角色。
多年來本實驗室研究重點在開發奈米複合薄膜(Nano composite)、多層薄膜(Multi-layer)與非晶的玻璃金屬薄膜(Thin-film metallic glass)，進而開發多功能之薄膜與其應用之可行性。
1、奈米結構鍍膜
近年來的統計指出花費在磨耗與腐蝕損壞問題產生的社會成本日益增加，為了因應高產值需要提高工件加工速度、嚴酷的環境需求以及環保意識抬頭(無潤滑劑的乾式切削)等問題，二元的氮化物硬質鍍膜已不足以應付，因此如何提升材料的性質以應付更嚴苛的挑戰是目前最大的挑戰議題。由於奈米科技的發展植基於奈米材料的研究、製造與發展，因此奈米材料的重要性不言而喻，奈米級尺寸的材料，即將材料設計至原子級(Atomic level，10-10 m)和奈米等級(Nano level，10-9 m)。奈米材料大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米薄膜、奈米塊體等 四類。奈米薄膜可分為顆粒薄膜與緻密薄膜。顆粒薄膜是奈米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密薄膜指薄膜層緻密但晶粒尺寸為奈米級的薄膜。奈 米薄膜可應用於機械工業、航太工業、模具工業、半導體工業、光電產業等等，可做為切削刀具與精密模具表面改質材料、氣體催化（如汽車尾氣處理）材料、過濾 器材料、微機電感測器材料、高密度磁記錄材料、光敏材料、光電材料、平面顯示器材料與超導材料等。其應用範圍極為廣泛、對於相關業界的核心技術提升有極大 的影響力。依據Matthews之研究，目前硬質薄膜的研究與應用以奈米複合薄膜(Nanocomposite thin film)與超晶格薄膜(Superlattice thin film)，亦稱為多層奈米薄膜(Nano scale multilayer thin film)兩種為主。
1-1、奈米複合薄膜
奈米複合薄膜常利用電漿CVD、磁控濺鍍、陰極電漿電弧法與離子束披覆等方法製造，基本上利用多種材料共鍍的方式，以較低的離子撞擊能量，材料之間會相互抑制其成核、結晶與成長，成為晶質或非晶質狀態，且晶粒或顆粒之尺寸能被縮小到數十至數個奈米的等級。圖一是奈米複合薄膜之結構示意圖，在PVD製程中，若能適當調整製程參數並添加適當元素，可使不同原子間產生spinodal decomposition，進而產生相分離的情形，如圖一(a)為TiAlN三元氮化物之微結構示意圖，此時並沒有奈米複合強化之效果。然而在添加第四元元素Si之後會有相分離的情況發生，如圖一(b)所示，第一相(淺色)為金屬氮化物TiAlN，晶粒尺寸為10 nm左右；第二相(深色)即為Si3N4，係呈非晶結構，包覆在第一相TiAlN的奈米晶晶界處。此複合結構可將第二相視為基地組織，而第一相則鑲嵌在第二相基底中，形成了特殊的奈米複合材(nanocomposite)結 構。除了具有特殊強化機制的奈米複合材結構外，一般奈米晶質薄膜由於在晶界之原子數目與在晶粒當中的原子數目大致相當，並沒有差排產生，而改為晶界滑動的 形式出現。又因薄膜晶粒尺寸變為奈米等級，產生非常巨大的晶界面積，引發極大的晶粒細化強化的效果。此外，由於晶界數目極多，可有效地阻止差排移動，抑制 晶界滑移，不容易產生塑性變形，同時也可以有效的降低鍍膜應力，使得奈米複合薄膜的機械性質更為優異。由於奈米複合薄膜具有高硬度、抗磨耗的特質，因此常 應用於抗刮傷的表面保護鍍層、低磨耗與低磨擦係數的機械工業。
圖一、奈米複合薄膜之結構示意圖
1-2、奈米多層薄膜
多層奈米薄膜是利用物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍法或化學法在 材料表面披覆數層至數百層不同材質的薄膜，而單層薄膜厚度為數奈米至上百奈米，多層奈米薄膜的總厚度可達到數百奈米至數微米的等級。多層奈米薄膜的晶界總 面積非常大，造成晶粒細化強化的效果非常優異，因此多層奈米薄膜材料的強度極高、耐磨耗性極佳。多層奈米薄膜的應用包括半導體工業、光電、磁性、X光反射鏡、紅外線雷射產業與耐磨耗、高強度的保護性鍍膜、機械加工等用途。目前解釋奈米多層薄膜之超硬效應的理論有Hall-Petch理論與差排之鏡像力。
多晶Hall-Petch強化效應可應用於多層膜材料的硬化行為，其形式為︰
H=H0+kD(-1/2)
D為晶粒尺寸，H為多晶材料之硬度值，Ho為同一材料之本質硬度，k為晶界貢獻強化常數。此一強化理論基礎為差排之移動受到晶界之阻礙，故當材料之晶界增加，即晶粒尺寸變小時，差排於材料中的移動會受到晶界限制，使得差排無法繼續移動，進而達到材料整體硬度強化之效果。惟多層膜之層與層間週期值常為奈米(小於20 nm)尺寸，差排相對較少，需要更複雜的理論探討。
2、非晶質合金
非晶質合金(amorphous alloy)係指金屬中原子之排列方式缺乏長程有序(long-range order)的規則，而僅是以短程有序(short-range order)或無序之方式排列，如圖二所示，此種原子排列形式和具有長程有序之金屬有明顯不同，非晶質金屬又稱為液態金屬(liquid metals)或非結晶金屬(non-crystalline metals)。此種缺乏對稱性之短程有序結構和玻璃結構相似，故又稱為玻璃化金屬(glass metals)或金屬玻璃(metallic glass)。非晶質相最早發現於1950年代，由Brenner利用化學氣相沉積法(chemical vapor decomposition)製備出具有非晶質結構的合金薄膜，也開啟一系列非晶質合金研究的契機。直至1960年，Klement等人使用撞擊激冷法(splat quenching method)，將熔融態合金溶液以高壓噴出於滑道式銅板上，以獲得非晶質合金薄片，這是首次以高速冷卻合金溶液的方法，來製備非晶質合金材料。自此之後，一系列以冷卻合金溶液方式製備非晶質合金薄片的方法慢慢地被開發，諸如雙輪連續急冷法(two-roller quenching process)、連續性液態急冷法(continuous liquid quenching)、激冷融液旋噴法(chill block melt-spinning process，CMBS)和平面流鑄法(planar flow casting process，PFC)等。發展自此，非晶質金屬已初步具備商業化的實力。
非晶質合金所具備優異之機械特性與耐蝕性，如將其應用於保護性鍍膜上將可賦予物件相當之金屬質感，並且大幅提升其耐候性。如結合其特殊之熱性質，可直 接於非晶質合金薄膜上壓印具光影變化之客製化圖騰，提升其獨特性，創造出功能與質感一體之新穎薄膜材料。此外，利用非晶質合金玻璃轉化溫度時，具可塑性大 幅提升之特性，未來於光電與微機電領域應用之前景也相當看好，挾光學元件之奈米模具複印與微機電元件製作上之低成本與高強度優勢，可輕易在先進材料中占一 席之地。於能源材料領域，有鑑於鋯基與鎳基合金具優良之機械性質、抗腐蝕和耐磨耗，其薄膜應用於電極板之運用潛力後勢看漲。本計劃案將以物理濺鍍方式，開 發鋯基、銅基、與鎳基之多元合金系統，用於製備大面積之非晶質合金薄膜。而真空濺鍍製程相較傳統液態-固態製程具有更多自由度，本計劃案將透過濺鍍條件與成分控制，並進一步結合奈米複合/多 層膜結構和多元合金非晶質金屬薄膜系統，透過製程整合和微結構調變，結合多元合金非晶質金屬薄膜，利用析出相形成奈米複合薄膜和單層數至數百奈米之多層膜 積層結構提高其硬度和附著性。探討其多元合金添加之元素與微結構對於鍍膜性能之影響，針對其微結構和材料性質進行系統性的探討，包括機械性質、熱穩定性、 磨耗性能、耐腐蝕與抗菌性能。以期得到一結合強化機制與附加功能性之效果，開發出新穎多元功能性薄膜，拓展其於學界與產業上更廣泛的重要性與應用。塊狀非 晶質合金材料之元素分佈均勻，為理想之單一靶材原料，可預期所鍍覆之薄膜均勻性佳，且具備非晶質合金之優良機械性質、化學穩定性及耐腐蝕性。此一新技術未 來更可應用於工業等級需求，提升多元合金靶材之開發與經濟價值。
3、多功能鍍膜之開發與其應用
以往的硬質薄膜大都以過渡金屬之氮化物及碳化物為首選，其中氮化鈦(TiN)因為具有高硬度、耐磨耗及金黃色光澤，且在工業脫膜後並不會產生毒性，因此被廣泛用於硬質鍍層。此外，氮化鉻(CrN)亦被認為一具有應用潛力之材料，因其具有較TiN為低之磨擦係數及較佳之耐磨耗性，及較優異之抗氧化、抗腐蝕能力等。自八零年代開始，嘗試添加鋁元素(Al)進入氮化物硬質薄膜以提升其各項表現，本實驗室先前的研究中，成功利用Al的添加大幅提升TiN薄膜的硬度及抗腐蝕行為。近年來，另一種新興的奈米複合薄膜(Nanocomposite thin film)也慢慢開始受到矚目，其主要原理乃藉由非晶質第二相的添加進而抑制晶粒成長和晶界滑動，成功地將表面鍍膜技術帶往另一個更高層次，而硬質薄膜發展至今，已由追求超高硬度之目標轉而開發多元功能性薄膜為主。本實驗室過去的研究運用類似概念，探討非晶氮化矽(Si3N4)添加於CrAlN薄膜中所引起的機械性質強化行為，提升電化學性質和熱穩定性的效果。此外本實驗室亦在氮化鉻中添加具有高溫特性提升之元素(如Ti, V等)，組成CrAlSiTiVN多元合金氮化物複合膜，亦可運用其多元合金之強化機制，利用多元元素改變鍍膜微結構，並進一步提升其機械性質與耐腐蝕能力。針對多層膜奈米結構鍍膜，本實驗室亦製備具結晶氮化鋁鈦(鉻)/非 晶氮化矽之奈米積層結構氮化物硬膜，將三維結構簡化為二維結構來討論，有效地研究此奈米複合薄膜的介面形成及設計。綜觀保護性與功能性薄膜研究，透過多元 素添加與薄膜微結構控制可有效提升鍍膜性質並大幅增加其應用價值，即為未來的研究趨勢及目標所在。有鑒於此，實驗室製備奈米複合氮化物薄膜與具結晶氮化鋁 鈦(鉻)/非 晶氮化薄膜之奈米結構與奈米積層結構氮化物硬膜，並針對其高溫抗氧化性能、高溫抗磨耗與抗腐蝕特性進行分析，期望以系統性整合奈米複合氮化物與奈米積層結 構氮化物硬膜之高溫行為，裨建立完整藉由大量界面生成而帶來的各種強化機制，進一步拓展其於學界與產業上更廣泛的重要性與應用。此外，藉由實驗室於多元合 金薄膜與奈米複合氮化物硬膜等經驗，透過成分控制、製程整合和微結構調變，結合多元合金非晶質金屬薄膜，開發新穎性多元功能性薄膜，並探討其多元合金添加 之元素與微結構對於鍍膜性能之影響，包括機械性質、熱穩定性、磨耗性能、耐腐蝕與抗菌性能。進而利用單層僅為數至數百奈米的多層膜結構有效提高其硬度、附 著性，結合多元合金非晶質金屬薄膜與奈米多層膜結構，形成多元合金奈米多層膜，以期得到一結合強化機制與附加功能性之效果。
二、 近年內之研究成果
本實驗室二十幾年來以薄膜披覆材料表面改質為研究重心，研究涉獵範圍廣泛，諸如彩色不鏽鋼、過渡金屬氮化物與非晶質金屬鍍膜、電鍍、無電鍍鎳、鋼材滲鉻處 理等議題，應用範圍包含抗氧化、耐蝕、耐磨耗、高硬度及耐熱等。相關的國際期刊會議報告及論文發表等已逾八十餘篇，成果頗豐，茲就近五年來鍍膜相關研究計 畫之重要結果記述如下：
(1). 96年計畫名稱：多元合金氮化物奈米複合膜與多層膜之研製及特性分析 (Ⅰ)
使用高真空電弧熔煉法製備等莫耳CrAlSiTiV多元合金靶材，再將此靶材應用於反應式濺鍍製程中，以調變氮通量的方式(0-30sccm)，先後鍍覆不同成分之(CrAlSiTiV)xNy多元合金薄膜，並分析其成分。從初步的X 光相鑑定可觀察到其FCC奈米晶結構，藉由奈米壓痕機量測多元合金氮化物薄膜之硬度，可發現氮含量達計量比之(CrAlSiTiV)xNy薄膜具有超過30 GPa的優異表現。
(2). 97年計畫名稱：多元合金氮化物奈米複合膜與多層膜之研製及特性分析 (Ⅱ)
利用塔弗及動電位極化測試法，於3.5 %氯化鈉電解液中，量測等莫耳CrAlSiTiV氮化物薄膜之腐蝕抵抗性。雖然此多元合金氮化物薄膜存在優異的機械性質，但由於濺鍍過程中所造成薄膜多孔的特性，限制其在抗腐蝕方面的應用，由其橫截面亦可觀察到奈米柱狀晶內含有大量的微孔洞。而在氮化物與鋼料之間鍍上一層約100奈米之多元合金後，可成功地抑制缺陷形成及孔洞之生長速率，在抗腐蝕能力方面亦有極大的提升。
(3). 98年計畫名稱：多元合金氮化物奈米複合膜與多層膜之研製及特性分析 (Ⅲ)
將多元CrAlSiN系統與其他多元或是單元氮化物系統互相搭配，結合既有之製備奈米多層膜結構技術，形成CrAlSiN/Me1N或CrAlSiN/Me1Me2N的多層鍍膜結構。針對多元合金氮化物薄膜之機械性質與抗腐蝕能力等強化機制與效果，對於將多元合金氮化物薄膜與奈米多層膜結構做一製程整合，收雙重強化之效。並利用多元合金奈米多層薄膜之製程，調變各單層之週期厚度，開發不同材料微結構與建立鍍層機械性質間之關連性。
(4). 99年計畫名稱：具結晶/非晶氮化矽之奈米積層結構氮化物硬膜之 開發與特性分析 (Ⅰ)
以反應式磁控濺鍍法鍍覆TiAlN與CrAlN複合膜以及TiAlN/SiNx與CrAlN/SiNx奈米多層膜，固定單層 TiAlN(CrAlN)層厚度，並調變SiNx層之厚度週期。藉以控制不同厚度週期之層狀結構以改變SiNx層的結晶行為，探討SiNx的結晶轉換厚度對整體多層膜的晶粒尺寸以及對機械性質的影響，並以HRTEM驗證SiNx的結晶行為，建立多層膜堆疊時的成長機制。
(5). 100年計畫名稱：具結晶/非晶氮化矽之奈米積層結構氮化物硬膜之開發與特性分析 (Ⅱ)
針對TiAlN與CrAlN複合膜以及TiAlN/SiNx與CrAlN/SiNx材料系統，利用SiNx控制多層膜微結構，設計具有特定優選晶向以及特定晶粒尺寸之多層膜，並調配出耐磨特性更強和具有優良高溫熱性質之奈米氮化物薄膜。藉由系統性的評估方式，評估多層膜中SiNx厚度對耐磨耗特性的影響，以及建立Si含量對於氮化薄膜之高溫氧化和結構穩定性之機制。
三、 目前研究重點
Ø 奈米結構保護性鍍膜之開發
(1) 奈米複合結構（nanocomposite）薄膜之開發與其強化機制之研究
(2) 奈米多層薄膜（multilayer）薄膜之開發與其強化機制之研究
Ø 薄膜型非晶質合金（金屬玻璃）之開發
(1) 元素添加對薄膜型非晶質合金機械性質與熱性質提升機制之探討
(2) 具生物相容性之薄膜型非晶質合金機械性質與熱性質提升之研究
(3) 薄膜型非晶質合金之表面抗菌性質研究
(4) 薄膜型非晶質合金用於奈米壓印之可行性評估與研究
Ø 仿生奈米結構薄膜之開發
2009年更新
<能源材料–鋰離子電池正負極材料之開發>
一. 目前研究重點
隨著全球對環保意識的重視，各項綠色法規逐步制訂，二氧化碳的排放量受到嚴格的控制，加上油價的上漲，讓大量使用燃油的汽機車使用者成為高油價下的犧牲 品。有鑑於此，尋求可替代汽油的動力來源，已成為車輛產業最重要的研發目的。在眾多方案中，最受到矚目且可行性最高的方法，就是油電混合車(HEV)或電動車(EV)的推廣。HEV/EV最大的優點就在於減少二氧化碳等廢氣的排放，減少對環境的污染並達到節省能源的功效。若欲將鋰離子動力電池應用於HEV/EV中，其相對應之電極材料需具備高功率輸出之能力。傳統的鋰電池使用鋰鈷氧化物作為正極材料，當其進行快速充放電時，會引起晶格常數的劇變，造成結構不穩定使電容量快速損失。除此之外，鈷的價格昂貴，如要應用鋰鈷氧化物用於動力電池的正極，成本勢必相當高，不利於HEV/EV的推廣。根據鋰離子動力電池充放電特性、循環壽命、自放電特性以及安全性等評估後，高電壓LiNi0.5Mn1.5O4為最具潛力應用於下一世代鋰動力電池之正極材料。綜上所敘，可歸納出LiNi0.5Mn1.5O4在未來應用於能源產業上的優勢：
1. 具有高工作電壓，可提供高功率輸出
2. 材料結構穩定，安全性佳，電池循環壽命長
3. 原料豐富，價格低廉具環境可分解性且不具毒性
基於高功率、安全性與穩定性的考量，高安全性之鈦酸鋰負極材料與高工作電壓之鋰鎳錳氧正極材料為目前鋰離子二次電池之首選。本實驗室從幾年前開始與工研院、國家同步輻射中心、康普材料科技與芯和能源股份有限公司等業界進行合作，成果相當豐碩，目前亦全力鎖定鈦酸鋰負極材料與鋰鎳錳氧正極材料，重要成果列舉如下：
(一) 鈦酸鋰負極材料
1. 成功藉由改良固態法合成純相鈦酸鋰負極材料
2. 藉由元素定量分析結果顯示所合成之鈦酸鋰(Li4Ti5O12)，其鋰與鈦之計量比為4：5
3. 在0.5 C 慢速充放電速率下可達到170 mAg-1以上，並在100圈充放電測試可維持95 %的電容量。
4. 在5 C 快速充放電速率下可達到100 mAg-1以上，並在100圈充放電測試可維持80 %的電容量。
(二) 鋰鎳錳氧正極材料
1. 成功藉由改良式固態法合成純相鋰鎳錳氧正極材料
2. 藉由元素定量分析結果顯示所合成之鋰鎳錳氧(LiNi0.5Mn1.5O4)，其鋰鎳錳之計量比為2：1：3，符合所需
3. 在0.5 C慢速充放電速率下可達120 mAg-1以上，並在100圈充放電測試可維持90 %的電容量。
4. 在5 C快速充放電速率下可達100 mAg-1以上，並在100圈充放電測試可維持90 %的電容量。
目前鋰離子二次電池的市場以可攜式3C電 子產品為主，隨著石油短缺以及環保意識抬頭，電動車與油電混合車慢慢崛起，材料的開發以高功率為主，除了整體的電壓需提高外，充放電的速率亦需增加。此 外，電池在電動車的實際運作上，有可能會因為電動車運行的環境而迫使電池的操作溫度有所不同，像是北極或是其他高緯度的國家，電池所遭遇的溫度相當低，消 費性電子產品之電池所涵蓋的操作溫度約為-20 oC ~ 60 oC，由於電子產品主要以攜帶式為主，因此操作溫度範圍較低。然而電動車之電池所涵蓋的操作溫度約為-30 oC ~ 70 oC，其溫度範圍略廣於消費性電子產品。再來是軍事用途，如太空梭備用之鋰電池所面臨的操作溫度最廣，從-50 oC到80 oC，電池所面臨的挑戰更為艱鉅。本實驗室將重點鎖定在電動車專用之鋰電池，低溫測試範圍為0 oC ~ -30 oC。此外，由於鋰電池之重心放在電動車的應用，低溫環境之快速充放電能力更是研究之重點。
本實驗室先前研發之鈦酸鋰負極材料可承受5 C之快速充放電，然而其電容量約為理論電容量的60 %，係因本身鈦酸鋰粉體導電度太低所致，當充放電速率提高時，電子因導電度的關係無法快速地在粉體內部傳遞，造成電容量的下降，本實驗室為了提升鈦酸鋰在低溫環境的快充快放能力，進行以下改質：
1. 在鈦酸鋰粉體表面纏繞多壁奈米碳管，減小粉體與粉體間的接觸阻抗，促進電子在粉體間的傳導，預期能提升鈦酸鋰負極材料之低溫性能表現。
2. 藉由高比表面積之多孔性結構的引入，增加電解液與材料的接觸面積，縮短鋰離子的擴散路徑，提升材料在低溫的快速充放電能力
3. 利用金屬元素摻雜增加粉體本身的導電度，加速電子在粉體內部的傳導能力，進而改善鈦酸鋰負極材料在低溫環境的快速充放電能力。
此外，本實驗室先前開發之改良式固態法雖能成功開發出高純度之鋰鎳錳氧正極材料，然而由於固態法使用之燒結溫度偏高，粉體晶粒偏大，低溫效能
並不卓越，因此針對低溫性質的提升，進行以下改質：
1. 藉由高分子保護劑的添加，避免粉體產生團聚而降低粒徑大小，進而縮短鋰離子擴散路徑，增加鋰鎳錳氧正極材料之低溫性質表現。
2. 在鋰鎳錳氧粉體表面包覆碳膜，減小粉體與粉體間的接觸阻抗，促進電子在鋰鎳錳氧粉體間的傳遞，預期能提升鋰鎳錳氧正極材料之低溫性能表現。
二、 近年研究成果
近年來高能量密度之鋰離子電池已成為電動車及消費性電子產品之主要儲能系統，本實驗室多年來一直致力於開發具有最佳電性表現之鋰離子電池電極材料，亦與業界 進行提升正極材料性能之合作計畫，材料系統包含具高容量密度之錫基複合負極材料與適用於電動車電池模組之高電壓鋰鎳錳氧正極材料與高安全性鈦酸鋰負極材 料，近年來積極參與相關的國際會議報告及發表論文於國際期刊，成果頗豐，茲就近五年來電極材料相關研究計畫之重要結果扼述如下：
95年
題目：以無電鍍法製備鋰離子二次電池錫碳複合負極材料及其相關特性探討
合作廠商：工業技術研究院材料與化工研究所
主要研究成果：
在市售鋰離子電池中，多以碳材為其負極材料。這些碳材具有低電位平台、可接受之電容量及價格低廉等優勢。然而碳與鋰離子鍵結形成LiC6後，僅有372 mAh/g之理論電容量。為發展具有更高電容量之負極材料，近年來錫系統負極材料受到廣泛的重視與研究。金屬錫負極材有比碳材料更高的初始電容量（理論電容991 mAh/g），但也存 在電容衰退過快的問題，其原因主要是因為充放電過程中鋰錫合金體積膨脹過大，導致錫負極材料碎裂。為解決此問題，許多錫化合物陸續被發展出來，包括氧化 錫、錫系合金與錫磷化合物等等。這些新型負極材料具有比碳材較高的電容量及比金屬錫較好的循環性，然而這些錫化合物大多仍存在著錫粒子在充放電時凝聚成大 尺寸凝團的問題，使得電極材料在多次循環後仍會碎裂而加速電容量的衰退。許多研究專家企圖找到解決這些問題的方法，目前已知製備奈米級與多相錫化合物可有 效抑制粉碎問題。此外，若能將金屬錫分散在非活性物質中，抑或與非活性金屬元素形成合金相，或許是改善錫系統負極材料循環特性的可行方法。
藉由無電鍍法已成功的將錫化合物鍍附於碳材表面。由XRD之結果可發現，無電鍍液在不同的pH值之下，將可生成不同的錫化合物，並且在pH值為6的情況下，具有最多元的結晶相，在經由充放電測試後，同時也可得到在pH值為6時具有最佳之電性表現，包括可逆電容量與循環壽命。而能具有較佳之電性表現，主要在於無電鍍液pH值為6時，Sn compound 產生了 multi-phase，並藉由multi-phase 有效的吸收了充放電過程中體積膨脹所產生之應力。利用無電鍍錫所合成之錫化合物/碳材複合負極材料 在第一圈時具有450mAh/g之充電電容量，並且在第40圈後仍具有410mAh/g放電電容量，可知藉由無電鍍法可獲得高可逆電容量與高循環穩定性之鋰離子電池負極材料。
98年
題目：高能量鋰電池正極材料結構穩定性研究與極板表面XPS失效分析
合作單位：工業技術研究院材料與化工研究所
主要研究成果：
鋰離子電池可廣泛應用於在可攜式的系統，像手機、筆記型電腦和其它通訊應用上。由於鋰離子電池有高電壓和循環壽命長的優點，將來可能被用應用在電動車上。其中LiNi0.5Mn1.5O4為一頗具潛力之正極材料，而其粉末的製造方法明顯的影響其循環壽命與電容量，目前有許多的合成方式，例如sol-gel法，超音波噴霧裂解法和熔鹽合成法。然而這些方法都有些缺點，如製程太複雜或無法製備較大量的粉體，較不符業界大量生產之原則。為了改善傳統固態法的缺點，本實驗採用一改良之固態法製備LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料。使用適量之LiCl、NiCl2．6H2O、MnCl2．4H2O，分別與不同(20、50、70%)草酸量均勻混合。然後將混合後之前驅物在400 ℃煆燒3 h，最後再將此粉末在700 ~750 ℃煆燒10 h後製備出LiNi0.5Mn1.5O4粉末。合成之粉末以X光繞射儀，電子微探儀及高解析度電子顯微鏡來分析LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料之成份與元素分布及表面形貌，再以充放電儀測試電池在高溫(55 ℃)與室溫之快速充放電能力。
另外，本計畫針對LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NiCoMn)O2等電極材料所製備之鋰電池進行正負電極之化學分析電子能譜表面成分分析。進行充放電測試，比較失效前後表面成份與鍵結的變化，以發現充放電對電極可能產生的效應，並推估其反應機制。
99年
題目：利用固態法製備高功率鋰離子二次電池之正極材料鋰鎳錳氧
合作單位：國立清華大學研發處
主要研究成果：
由於石油危機及全球暖化的來臨，許多研究學者積極尋找新的替代能源 取代石油成為汽車新動力的來源。在許多能源研究中，鋰離子二次電池的研究係箇中主要的議題之一。與其他二次電池比較，如鉛酸、鹼性、鎳鎘和鎳氫電池，鋰離 子二次電池擁有相當多優異的性質，所以鋰離子二次電池在未來有可取代石油成為3C電子設備、電動車和混合車的動力來源。本實驗室從2000年開始發展鋰離子二次電池之正極材料，包括1D通道之LiFePO4、2D通道之LiCoO2和LiNi0.6Co0.4-xMnxO2以及3D通道之LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4。目前符合電動車需求的正極材料，以LiNi0.5Mn1.5O4具有較高電位平台與較好的電化學性質，同時LiNi0.5Mn1.5O4也有與LiFePO4 (安全性較高的正極材料)相似的安全性質。總括來說，LiNi0.5Mn1.5O4正極材料有比LiCoO2較高的電位和較好的安全性，有潛力成為新型高性能的鋰離子電池正極材料。
一般藉由縮小粉體之粒徑尺寸可減少鋰離子的擴散路徑，提高快速充放電的性質。但在高溫測試方面，奈米尺寸之正極材料會增加與電解液接觸之面積，造成電 解液不穩定與安全性問題，以致電容量下降。基於此，有人建議在正極材料表面披覆氧化物來減少與電解液之接觸面積，進而改善循環壽命，但其製備成本也跟著提 高。現今商用的正極材料，其粉體之粒徑尺寸約為10 μm左右，此粉體可有 效降低與電解液接觸之面積，提升鋰離子二次電池在高溫之電性。但由於粒徑較大，鋰離子的擴散路徑太長，造成電流供應不及，通常只可提供不到一半的電容量。 綜上所述，奈米粉體有提供快速充放電的能力，但是在高溫測試方面電性卻快速衰退。而微米大小之粉體在高溫測試下有較良好的循環壽命，可是其粒徑大，無法達 成快速充放電的目標。基於以上考量，本實驗室結合多年來深入研究之能量，規劃製備出微米大小且擁有多孔性之結構來解決高溫電性衰退迅速與無法快速充放電之 問題。由於此粒徑大小為微米等級，與電解液接觸面積較小，又由於擁有其多孔性結構，在快速充放電條件下，鋰離子擴散路徑也較短，預期此結構在室溫與高溫下 都可有優良的電性表現。
為了滿足鋰離子二次電池運用在電動車上之要求，尤其是循環壽命長及快速充放電能力，本計劃利用微米大小粒徑且擁有多孔性之結構將可在室溫快速充放電1000圈，其電容量仍然保有80%以上之表現。同時測試此新型電池的快速充放電能力，而在高溫測試方面也期待此多孔性結構能快速充放電達200圈以上。
99年
題目：研發高結構穩定性之鋰離子二次電池之鈦酸鋰負極材料
合作廠商：芯和能源股份有限公司
主要研究成果：
目前符合電動車需求的負極材料選擇Li4Ti5O12，此材料在充放電過程晶格常數幾乎不變(0.836 nm→0.837 nm)，所以其充放電測試可高達1000圈以上。同時，其材料之工作電壓(1.5 V)高於目前常用電解液之分解電壓，不會生成SEI層造成安全性問題，有潛力成為一種新型高性能的鋰離子電池的負極材料。
本實驗室完成負極材料Li4Ti5O12之製備。以實驗室自我研發之合成方式製備出多孔性無雜質奈米級之Li4Ti5O12負極材料，並以X光繞射儀，電子微探儀及高解析度電子顯微鏡來分析材料之成份與元素分布及表面形貌，再以充放電儀測試電池室溫之電性與快速充放電之能力。
為了滿足鋰離子二次電池運用在電動車上之要求，尤其是循環壽命長及快速充放電能力，本實驗室成功的製備奈米級之Li4Ti5O12負極材料，其擁有micrometer粒徑且擁有多孔性之結構將可在室溫0.5 C慢速充放電100圈，其電容量仍然保有95%以上之表現。而多孔性負極材料Li4Ti5O12在未披覆碳的情況下預期也能在5C之快速充放電測試100圈，其電量維持率仍然保有80%以上之表現。擁有這些特徵性質的表現將可驅動此特殊設計的Li4Ti5O12成為新型的鋰二次電池負極材料，俾為未來之電動車能源開發做有效的鋪路。
三、 多功能鍍膜與材料之表面改質
表面改質技術係近年來科技發展的重點之一，愈來愈多不同的工業應用也隨著表面工程的進展而有顯著的增加。在表面改質工程中，鍍膜技術係最重要且最常應用的技術之一，其可改善物件表面性質、提供機件所需之特性，延長使用壽命等工業價值，扮演著舉足輕重的角色。因此，表面工程的發展及進步愈來愈受到各界之重視，累積愈來愈多之研究能量。在表面改質研究中，物理氣相沉積法(PVD，Physical Vapor Deposition)可以鍍覆出多種任意元素組合的薄膜，且所鍍覆之薄膜具有多種功能特性。以往的硬質鍍膜大都以過渡金屬之氮化物及碳化物為鍍膜材料，其中氮化鈦(TiN)因為具有高硬度、耐磨耗及金黃色光澤，被廣泛用於硬質鍍層。此外，二元氮化物中，氮化鉻(CrN)亦被認為一具有應用潛力之材料 ，並且具有較TiN為低之磨擦係數及較佳之耐磨耗性，以及良好之抗氧化、抗腐蝕能力，被視為可以取代TiN之薄膜材料。
奈米結構鍍膜
近年來的統計指出花費在磨耗與腐蝕損壞問題產生的社會成本日益增加，為了因應高產值需要提高工件加工速度、嚴酷的環境需求以及環保意識抬頭(無潤滑劑的乾式切削)等問題，二元的氮化物硬質鍍膜已不足以應付，如何提升材料的性質以應付更嚴苛的挑戰是目前最大的議題挑戰。
目前硬質薄膜的研究與應用以超晶格薄膜(Superlattice thin film，亦稱為多層奈米薄膜nano scale multilayer thin film)與奈米複合薄膜(nano composite thin film)兩種薄膜材料為主。多層奈米薄膜是利用物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍法或化學法在材料表面披覆數層至數百層不同材質的薄膜，而單層薄膜厚度為數奈米至上百奈米，多層奈米薄膜的總厚度可達到數百奈米至數微米的等級。多層奈米薄膜的晶界總面積非常大，造成晶粒細化強化的效果非常優異，因此多層奈米薄膜材料的強度極高、耐磨耗性極佳。奈米薄膜之間多層奈米薄膜的應用包括半導體工業、光電、磁性、X光反射鏡、紅外線雷射產業與耐磨耗、高強度的保護性鍍膜、與機械加工等用途。以下將就本實驗室近年來對奈米結構硬質鍍膜部分之研究做較具體的介紹。
1. 研究專題
1.1. 氮化鉻/氮化鎢多層奈米薄膜之磨耗行為
硬膜的結構形式通常可以分為單層、雙層及多層，配合奈米或多層結構及其他強化機構，成分上則以金屬、氧化物、碳化物及氮化物為主。其中過渡金屬氮化物中的氮化鈦是硬質鍍膜中最常使用的材料系統。本實驗室已成功以射頻式反應型濺鍍方式開發具奈米複Cr-W-N及積層結構氮化物CrN/WN之最佳製程之條件，以此最佳之參數精確控制和強化薄膜的強度可得到兩種氮化物週期性鍍製形成的奈米多層膜，硬度值提升至29GPa左右。另外在磨耗實驗上，CrN/WN奈米層積薄膜之刮道深度非常淺，幾乎看不到刮道的痕跡，且薄膜表面完全沒有破裂之情形產生。相較之下CrN單層氮化物薄膜之刮道痕跡則是非常明顯，且於刮道之兩旁有顯著物質堆積與破裂的情況發生。藉由刮道表面形貌以及摩擦係數值等等佐證，可以證實Cr/WN之奈米層狀結構對於薄膜之抗磨耗性質確實有顯著的提升效果，此一CrN/WN奈米級層積薄膜係可作為表面改質之保護性鍍膜。
1.2 氮化鉻/氮化鋁超晶格奈米多層薄膜之抗氧化
本實驗室已成功以射頻式反應型濺鍍方式開發具奈米複Cr-Al-N及積層結構氮化物CrN/AlN之最佳製程之條件，以此最佳之參數精確控制和強化薄膜的強度可得到兩種氮化物週期性鍍製形成的奈米多層膜，硬度值提升至30GPa左右，相較於單層氮化鉻與氮化鋁的硬度分別為20 GPa與12 GPa，其值遠遠高於兩種鍍膜rule of mixture的硬度 (16 GPa)。從微結構可觀察到，原本HCP的氧化鋁結構，經由奈米多層薄膜的組合堆疊，轉變成介穩態FCC氮化物結構。且氮化鉻與氮化鋁的界面係為coherent，而由於兩者材料晶格常數的差異，會在界面產生應變能，獲使奈米多層薄膜結構能有高強度。在700oC熱處理之下，單層氮化鉻硬度下降率為50.1%，而週期厚度為4奈米的多層膜硬度下降率僅8.1%，由此可見，藉以較軟性的氮化鋁加入氮化鉻中形成奈米多層薄膜，在機械性質以及高溫熱穩定性上都能有大大的提升。
1.3 氮化鉻鋁矽/氮化鎢超晶格奈米多層薄膜之磨耗與破裂行為
利用直流磁控濺鍍與自動控制設備可成功製備出具不同層狀週期之氮化鉻鋁矽/氮化鎢超晶格奈米多層薄膜，其最高硬度值可達40GPa。由低角度XRD繞射, 高角度XRD satellite peak以及TEM影像，可證明其奈米層狀結構具有非常緻密與緊實之堆疊。在pin-on-disc膜耗測試中發現，此奈米多層膜之摩擦係數較單層氮化鉻鋁矽與無鍍膜披覆之304不鏽鋼基材為低。將刮痕測試後之試片以TEM觀察其側向剖面結構，可發現奈米層狀結構對薄膜破裂之裂口成長行為有一較佳之應力釋放之效應。
1.4 不同矽含量對鉻鋁矽氮奈米複合薄膜之腐蝕行為影響
本研究嘗試以鉻鋁合金作為靶材，與矽靶進行氮化鉻鋁之共鍍，由微結構分析中發現矽添加有促進薄膜非晶化的效果，藉由非晶態氮化矽的生成可有效地將薄膜的柱狀晶結構轉變為緊密的等軸晶結構，具備奈米複合材結構的氮化鉻鋁除了具有超過30 GPa的高硬度外，其細緻的微結構亦使得薄膜具有優良的抗腐蝕特性。
1.5 氮化鉻鋁/氮化矽,氮化鈦鋁/氮化矽奈米多層薄膜之微結構與抗腐蝕表現
將具高性能之氮化鉻鋁（氮化鈦鋁）與氮化矽，以反應性磁控濺鍍系統沈積調變各層不同厚度的奈米多層氮化鉻鋁（氮化鈦鋁）/氮化矽薄膜。實驗的結果顯示，多層膜中氮化矽層的厚度會影響氮化矽層的晶體結構以及多層膜的硬度。當氮化鉻鋁層厚度為4.0 nm、氮化矽層厚度為0.4 nm時，奈米多層膜中的氮化矽轉變成介穩態與氮化鉻鋁所形成的契合界面產生硬度提升高達33 GPa。隨著氮化矽層厚度的增加至0.7 nm，氮化矽層轉變成非晶結構並阻斷了多層膜的契合生長，使得多層膜的硬度迅速降低。實驗的結果也顯示，多層膜中氮化矽層的厚度控制氮化矽層的晶體結構從而改變多層膜的微結構並影響其抗腐蝕性質。當氮化矽為結晶態時會與氮化鉻鋁契合生長，晶粒穿過若干個週期厚度連續成長並形成柱狀晶結構。反之，當氮化矽為非晶態時會阻斷柱狀晶的成長，形成非常緻密的結構，同時，也阻擋了腐蝕性離子藉由晶界擴散至基材發生腐蝕的通道，進而提升抗腐蝕的效果。
1.6 IC測試用金屬內插器抗沾黏鍍層之研究與開發
IC測試可分成CP (chip probing)與FT(final test)測試，其中CP測試是要測出每顆IC的毀損位元，失效位元, 而FT(final test)測試，主要係要檢測金線連接不良以及open-short等問題。無論在CP或是FT 的測試過程中，被測的裸晶或封裝後之IC必須要與探針卡(probe card)或金屬內差器(interposers)接觸，並將測到的訊號回傳至測試機台，以便辨別裸晶中的die或封裝後IC的好壞。
在FT測試中，最常用的金屬內差器稱為pogo pin探針，其底材通常為鈹銅合金，外層依序鍍製一層3-5μm的鎳層與1-3μm的金層。由於金與錫的潤濕性很好，在長時間與數十萬次的接觸測試中，探針無可避免的會和被測IC的錫球(solder ball)或接腳(lead)產生沾黏(sticking)的情況，如此會造成接觸阻抗增加而測試良率也會大幅降低。
本研究嘗試用滾鍍的方式在探針上使用鎳鈀合金來取代傳統鎳層及金層。由於鎳鈀合金和鎳層一樣具有較佳的耐磨性，又和金層一樣具有較低的接觸阻抗，非常適合當作測試用探針的鍍層。此外，鎳鈀合金不像金層和錫有很好的潤濕性，因此可以改善探針沾黏的問題，維持較低的接觸阻抗。此外，藉由改變電鍍的參數，如電流、時間、攪拌速度、鍍液濃度等等，可以找出對於抗沾黏較佳的微結構組織。最後，利用旺宏電子公司測試機台上的實際測試，驗證鍍層抗沾黏的成效。
1.7 具有自我修補特性之智慧型材料研究
智慧型材料自我修補技術的觀念主要源自於當人們的皮膚受到一處刀傷時，隨著時間的增加，壞死的組織細胞可以被健康的組織細胞所取代，而使傷口復原。相同的概念，如果任何含有”自癒劑”的物質，尤其填充在奈米膠囊中，可以事先埋入或植入材料內部。當材料受到外力或化學物質的侵蝕時，而產生腐蝕或是裂縫，如事先植入含有”自癒劑”的物質則可以避免上述的缺陷繼續惡化而延長材料壽命。這個新的製程技術可以應用在PCB板的Pad上，降低Pad在IC測試過程中必須與許多施加大荷重的測試用探針接觸好幾百萬次所造成的損壞程度。另外在生醫領域中，這個技術亦可應用在心臟病患者所使用之加工精密與中空的血管支架上，使血液在血管中流動順利，防止血栓的情況發生。再者，材料修補概念未來亦非常有可能可以塗佈在飛機的表面上，降低飛機材料因為環境溫度或壓力的變化，所造飛機本體因為金屬疲勞所造成之裂縫或孔洞，而達到提高飛行安全的目的。上述具有自我修補的材料可稱之為”智慧型材料”。
”自癒劑”在智慧型材料自我修補的技術中通常具有兩種不同的釋放機制。第一種機制是使用手動或自動的方式，將”自癒劑”從所植入材料的本體釋放至欲修補材料的表面，進而將材料受損的裂縫或孔洞填充，而達到材料修補之目的。這種方式較適合應用在電子產業中之PCB板與IC測試用探針的修補。另一種機制，較適合用在生醫上，通常醫生總是希望塗佈在植入物的藥物可以在適當的時間釋放到適合的地方。藉由環境受到光、熱與壓力的激發所產生之動能，可以將”自癒劑” 從奈米膠囊的核中釋放出來，而達到材料修補的目的。
2. 研究專題
2.1.二元與三元氮化物鍍膜
氮化金屬硬質鍍膜由於具有相當良好的磨耗特性、高硬度、強度、熱性質以及抗腐蝕性質等，有效地延長工具鋼之使用壽命並拓展其使用領域，其已經在工業應用方面受到相當的重視。其中，二元氮化物如TiN、CrN，或三元氮化物如TiAlN、TiZrN等等，都吸引許多研究投入這些硬質鍍膜的開發中。 以反應性磁控濺鍍法鍍覆CrN薄膜於A2工具鋼表面之系統來說，在薄膜之附著性評估方面，爰使用刮痕測試法來比較其附著性並觀察其在刮痕測試中之破壞情形，所得結果顯示含氮成分較低之薄膜其臨界荷重值較低，而在氮含量高於60at.%的薄膜中可量到較高之臨界荷重值，且在刮痕中僅可見局部的薄膜破壞產生，顯示其具有較佳之附著性。由腐蝕測試結果可瞭解薄膜中具有CrN相成份者，具有較佳之抗腐蝕性，而所量得的腐蝕電流密度大，則與薄膜的結構有關。在氧化測試後，在試片表面生成之氧化物為Cr2O3，所鍍覆膜之抗氧化能力隨著薄膜中含氮量的增加而什炕A而CrN相的生成有助於提升其抗氧化能力。CrN薄膜在600℃氧化時其生成之氧化層相當薄，可證明CrN薄膜具有優良的高溫抗氧化能力。 經由鋁的加入，(Ti,Al)N三元化合物鍍層之硬度值較傳統之氮化鈦鍍膜為高。鍍膜後之殘留應力會隨鋁含量增加而上升。其中，熱應力隨氮化鋁含量變化不甚明顯，而殘留應力之差異主要來自鍍膜時，不同組成之濺射原子撞擊所造成。(Ti,Al)N鍍於A2工具鋼之附著性甚佳，在拉伸測試中，所有之破裂皆在黏膠處。在分析各種成份之(Ti,Al)N薄膜的附著性與刮痕行為時，亦將鍍膜之機械性質、殘留應力與玻裂形態相互間之關係作綜合性探討。其中因硬度與外加之壓痕能量隨Al在(Ti,Al)N中成份之增加而增加，使得強度增強，而(Ti,Al)N薄膜玻裂之臨界荷重隨之下降。
2.2.過渡金屬暨無電鍍鎳複合鍍膜
無電鍍鎳具良好之耐蝕性、均一性及抗磨耗性，經熱處理之後硬度又可提升至約1000 HV，而被廣泛應用於鋼材之改質上。TiN、CrN薄膜則以其優異的機械性質，及其在高溫及化學上的穩定性，已成為近年來頗受矚目之研究課題。但直接在碳鋼(mild steel)上以PVD製程鍍覆TiN、CrN所能達成的表面改質的效果有限，尤其在薄膜的附著性反抗腐蝕性方面更為薄弱。在濺鍍之TiN(CrN)/MS鍍層中施以次磷酸鈉鍍浴析鍍之無電鍍鎳介質層，期能改善鍍層之附著性及整體複合鍍層之抗腐蝕性質，以提高碳鋼基材之附加價值。 在TiN/Ni-Ni3P/MS的系統中，結合中間無電鍍層的加入以及外層氮化鍍膜的效果，有效地增加了單純碳鋼的表面硬度至2120HK。無電鍍鎳磷中間層的加入，也提升了單層TiN/MS系統的附著強度。此外，經腐蝕實驗得知，整體(多層)系統的抗腐蝕能力亦比單層鍍膜強。在CrN/EN/MS的多層鍍膜系統中，由於無電鍍鎳在濺鍍過程中結晶化，使得鍍覆結構體成為 CrN/Ni-Ni3P/MS。利用刮痕及破壞測試儀來分析鍍層之硬度、楊氏模數及壓痕行為，得知複合鍍層確較具有較基材高之硬度及楊氏係數值。使用刮痕測試法來評估其附著性並觀察其在刮痕測試中之破壞情形，所得結果顯示在單層 CrN 鍍層之刮痕中有大量的裂痕及嚴重的薄膜脫落，反之複合鍍層之刮痕中僅見少量的薄膜破壞，顯示其具有較佳之附著性。加入無電鍍鎳介層亦可使整體之表面摩擦係數下降，有助於其抗磨耗能力。此外，由腐蝕測試結果可瞭解加入無電鍍鎳介層可有效地使腐蝕電位向正值提升，並降低腐蝕電流密度，亦反應出複合鍍層具有較佳的抗腐蝕特性。
2.3.鎳磷基三元濺鍍薄膜
無電鍍鎳磷薄膜已經被證實具有相當優秀之熱穩定、耐蝕、抗磨耗等性質，因之，在工業上受到相當的注目而被廣泛地使用。當二元無電鍍鎳磷加入適量之第三元元素時，其熱穩定性及機械性質更有相當大的提升，但利用無電鍍技術，目前並無法精確地控制三元成分，故採用物理氣象薄膜沈積法(PVD)取代。目前研究的題目包含sputtered Ni-P-Cu、sputtered Ni-P-W等。 目前已成功地利用濺鍍法及複合靶材設計，達到控制三元鍍膜成份之目的，同時提高此三元鍍膜之熱穩定性。成份為Ni-P-Cu之濺鍍膜經由X光繞射分析鑑定結果，顯示為非晶結構，與傳統的無電鍍製程得到的薄膜結構相同。在微硬度測試方面，發現三元Ni-P-Cu鍍膜之硬度隨著Cu量的增加而減少，但是Ni-P-Cu鍍膜之硬度仍然大於基材(SS420)之硬度。 在濺鍍Ni-P-W的研究中顯示，添加少量的第三元元素便可有效的提高鎳磷薄膜的結晶溫度，亦即提高其熱穩定性，尤其添加鎢的系統為最(與添加銅相比)。在硬度表現上，加入第三元元素可以調整所需之硬度值並與基材匹配，經過熱處理後之三元鎳磷膜硬度表現，會隨熱處理溫度變化，有一極大值(peak hardness)產生，此值會隨第三元的添加量及種類而變化。以鎳磷鎢的系統來說，鎢的添加愈多，最高硬度向上提升，且出現最高硬度的熱處理溫度亦向高溫延伸，顯示出其熱穩定性與無電鍍二元相比的優越性。在機械性質方面，利用鎢的添加， 可以強化因熱處理相變化後產生的純鎳基地，亦即鎢的加入使鎳基地產生固溶強化的效果，加上原來amorphous Ni-P-W 會有Ni3P的強化相析出，整體的機械性質增強。
2.4.多元貴金屬硬膜
利用磁控濺鍍法在碳化鎢基板上鍍製以貴金屬元素Ir為基礎的二元(Ir-Re, Ir-Pt)或多元(Ir-Re-Cr-N)系統合金薄膜。此合金膜主要是用來保護碳化鎢基板在高溫時能有良好的化學安定性以及機械強度。在製程方面，可以利用調整各個成份間的輸入功率相對質，而得到特定的合金薄膜成分比例。在固定的Ir和Re比例下，可得到Cr的輸入功率與鍍膜之成分比例關係。 此系統的薄膜主要是應用於保護壓製光學元件的模具上，其高溫性質以及表面粗糙度(Ra)須達到一定標準。以AFM作表面的觀察，薄膜Ra值大都介於2~5nm的範圍內。且經過熱處理後，在硬度以及表面型態都具有良好的安定性，符合應用於高精密模具上的需求。
2.5.鐵錳鋁合金鋼表面滲鉻改質製程
以固體滲鉻法（氧化鋁：鉻鐵粉：氯化銨＝67.5：30：2.5 wt%）在鐵錳鋁合金鋼進行1000℃，1至16小時之滲鉻改質製程。固體滲鉻處理的試片表面生成 (Fe,Cr)2 N1-x與Cr23C6相，較內層則主要是Cr7C3相。在25℃，3.5wt%氯化鈉水溶液中顯示經鍍覆處理之合金具有極優良的抗蝕性，對於高溫熔融鹽熱腐蝕之抵抗性亦優於傳統430不銹鋼。整體而言，固體滲鉻處理使得鐵錳鋁合金鋼基材的抗蝕性顯著提高。 以1000℃，滲鉻4小時之鐵錳鋁合金鋼為例，改質表面具有極高之微硬度（HK 2729 ± 148，荷重10gf），經ICT測得之彈性係數為473.9 ± 56.5GPa。由刮痕試驗與洛氏C壓痕試驗結果顯示滲鉻披覆硬層與基材之附著性極優異，附著強度品質為HF1。 由於鐵錳鋁合金鋼具有極佳的韌性，適於製造重負荷之零件，如船舶螺旋槳，飛機起落架等，在航空、汽車與船舶工業極具發展潛力；藉著滲鉻表面改質技術提昇其抗腐蝕性能與機械性能，則其應用範圍可以擴展到精密機械與模具工業的領域，使鐵錳鋁合金鋼的應用空間更為寬廣。
2.6.於鋁合金上鍍覆無電鍍鎳
研究的目的是利用無電鍍鎳層鍍覆在鋁及其合金基板上，以求能獲得多種更好的性質或改善。目前常用在鋁合金上的製程有陽極處理和電鍍法等，可是由這兩種製程所得到較好性質係侷限在小部份的材面上，如同時要具備多樣性質上優點可能必須要和其他的製程配合。而無電鍍鎳層擁有耐腐蝕，高硬度，耐磨耗，潤滑性，可焊性，均勻性和非磁性等優點，因此要在同時具備多樣性質要求下，無電鍍的製程是頗為可行的選擇。可應用的領域如下: １.市面上用的雨傘傘骨幾乎都是利用陽極處理的方法來提高傘骨的耐腐蝕性，可是在硬度，強度上並沒有太多改善。無電鍍能夠使傘骨強度硬度變好。 ２．鋁散熱器表面需要鍍一層薄膜作為熱的保護層，然而電鍍的方法無法得到較好的覆蓋性，無法給予較好的熱保護效果。無電鍍本身具有好的覆蓋性質也具有熱保護性質，因此可以有效保護散熱器。
2.7.生醫材料議題--心導管表面改質
心血管疾病奪去國人寶貴生命的大殺手。其中冠狀動脈栓塞是心血管常見的疾病之一。冠狀動脈是供給心臟養份的重要血管，它可能因年紀或是飲食不當而導致血管狹窄，此時就必須進行外科手術加以治療。目前台灣的冠狀動脈介入性治療中，病人以接受氣球擴張術或者是血管支架植入術為大多數，就結果而言，血管支架植入的效果較好。「冠狀動脈血管支架」是一種金屬線圈以增加血管內徑的方式，由肘部或鼠蹊部導入，以減低血管再發生狹窄的機率，可顯著增加血流通量，而該支架將永久地留在患者體內。 本研究乃是以硝酸鈍化法和熱氧化法在醫用級316LVM 不銹鋼上長一層鈍化保護層，研究保護層之微結構與電化學性質，以應用在心血管擴張術的金屬支架材料。 為了研究鈍化膜的微觀結構、鍵結態和元素分佈，本實驗利用穿透式電子顯微鏡(TEM)、X光能譜儀(XPS or ESCA)和歐傑電子能譜儀(AES)進行分析。研究結果發現以硝酸鈍化法生成之鈍化膜為非晶型結構，表面主要的氧化物成份為氧化鉻(Cr2O3)、氫氧化鉻(CrOOH)，而經由熱氧化法所生成氧化膜和原始線材的氧化膜主要由氧化鐵(Fe2O3)和氧化鉻(Cr2O3)所組成。 在316L不銹鋼上做硝酸鈍化前，表面需進行酸洗去除表面氧化雜物顆粒。為了有效去除此氧化雜物顆粒，本實驗根據氧化雜物顆粒組成改良酸洗步驟，並比較不同酸洗處理之後的效果。 除了需將氧化雜物顆粒去除外，硝酸的鈍化條件也相當重要。在本實驗中觀察到隨著鈍化溫度增加而崩潰電壓愈高。此外，經由熱氧化法所得到的鈍化膜，其崩潰電壓介在原始線材和經過硝酸鈍化之間，這表示硝酸鈍化法所得到的得到鈍化膜保護效果較熱氧化法佳。