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系統識別號 U0002-0408201512321400
中文論文名稱 二維微米球的排列方法
英文論文名稱 Arrangement method of two-dimensional microsphere
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 吳俊廷
研究生英文姓名 Chung-Ting Wu
學號 602370057
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-07-06
論文頁數 64頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-劉承揚
委員-蔡有仁
中文關鍵字 聚苯乙烯微球  自組裝排列  繞射極限 
英文關鍵字 Polystyrene latex microsphere  Self-assembly  diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 為了突破繞射極限,先前文獻將單顆微米球放置於量測物表面,配合奈米噴流技術可以看到高分辨率的奈米成像,但因單顆微米球成像的區域太小,所以為了擴大成像區域需要大面積二維微米球陣列,但由於目前沒有可形成完美大面積二維微米球陣列的排列方法。因此本文提出一種新穎的自我組裝方法,成功排列出1cmx1cm單層二維結構,並通過降低排列基板的摩擦力、不同濃度之乙二醇加水的微米球懸浮溶液、不同的揮發溫度及懸浮液微米球濃度來調控6um微米球的排列,實驗結果使用俱潤滑的石墨基板,乙二醇與水的重量濃度為9:1,揮發溫度為100℃及5x〖10〗^(-6)wt%微米球懸浮液時,可以得到最佳的微米球排列及降低雙層微米球排列的機會。
英文摘要 In order to overcome the diffraction limit, according to a method of previous research[4] is to put the single microspheres on the measuring surface so that we can see nanometer high resolution imaging by nano-jet technology. We have to expand the imaging region into large two-dimensional microspheres array because the single microsphere imaging region is too small, and there is no arrangement method can be formed perfect large area with-two-dimensional microsphere array now. Therefore, this studies proposes a novel self-assembling method, successfully arranged a 1cmx1cm single layer two-dimensional structure by reducing the friction of the arrangement substrate, microspheres suspended of the ethylene glycol add water solution of different concentrations, different volatilization temperature and microsphere suspension concentration to control 6μm microspheres arrangement. The results of using with lubricating graphite substrate, weight concentration of ethylene glycol and water is 9:1, volatilization temperature at 100℃ and 5x〖10〗^(-6) wt% microsphere suspension, can get the best microspheres arrangement and reduce the chance of double layer microspheres arrangement.
論文目次 總目錄
第1章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 4
1-2.1 微奈米球自我組裝 4
1-2.2 微奈米球自我組裝機制 4
1-2.2.1 毛細現象所產生的作用力 4
橫向毛細作用力 4
對流作用力 7
1-2.3 奈微米球自我組裝的製備方法 8
1-2.4 奈微米球自我組裝方法 8
1-2.4.1 自然乾燥 8
1-2.4.2 旋轉塗佈法 11
1-2.4.3 LB法 16
1-2.4.4 垂直沉積法 19
1-2.4.5 電泳沉積法 23
1-2.5 光學繞射極限 25
1-3 研究動機 27
第2章 實驗設計 28
2-1 實驗材料與設備 28
2-1.1 實驗材料 28
2-1.2 實驗設備 29
2-2 實驗步驟 30
2-2.1 不同性質基板 30
2-2.1.1 超親水基板 30
2-2.1.2 疏水基板 30
2-2.2 PDMS薄膜製作 31
2-2.2.1 矽晶圓清洗工作 31
2-2.2.2 PDMS溶膠配置 31
2-2.2.3 PDMS旋轉塗佈製備薄膜 31
2-2.3 微米結構基板製作 32
2-2.3.1 基板前處理 32
2-2.3.2 真空濺鍍 32
2-2.3.3 基板的翻製 33
2-2.3.4 PDMS溶膠對環氧樹脂模仁的翻膜 33
2-2.4 微米結構基板 33
2-2.4.1 降低基板摩擦力 33
2-2.4.2 石墨鍍層的漣漪結構 34
2-2.5 探討微米結構基板排列參數 35
2-2.5.1 不同濃度之乙二醇加水的微球懸浮溶液 35
2-2.5.2 不同工作溫度 35
2-2.5.3 不同濃度的微球懸浮液 35
2-2.6 表面形態觀察 36
2-2.6.1 原子力顯微鏡 36
2-2.6.2 光學顯微鏡 36
第3章 結果與討論 37
3-1 不同表面性質的基板對微米球排列的影響 37
3-1.1 超親水基板 37
3-1.2 疏水基板 38
3-1.3 微米結構基板 39
3-2 微球排列於微米結構基板 40
3-2.1 降低基板摩擦力 41
3-2.1.1 不同濃度之乙二醇加水的微球懸浮溶液 43
3-2.1.2 不同工作溫度 50
3-2.1.3 改變懸浮液微球濃度 55
3-2.2 俱石墨鍍層的微米結構基板 56
3-2.3 微米結構基板缺陷及顆粒大小對排球的影響 58
3-3 實驗機制 59
第4章 結論 60
第5章 參考文獻 61


圖目錄
圖 1上圖為兩個較重之顆粒;下圖為不同重量之顆粒[6] 6
圖 2(a)溶液高度(h)高於顆粒粒徑(2R);(b) 溶液高度(h)低於顆粒粒徑(2R)[7] 6
圖 3對流作用力的產生形成單層有序排列之二維結構[8] 8
圖4微球排列過程所拍攝到的圖,顆粒從左上向右下陣列進行排列[5] 9
圖5左圖為實驗過程中所使用的蒸發系統;右圖為利用100nm(CV=2.6%)之顆粒所獲得之二維有序結構[9] 10
圖6用AFM量測粒徑為914nm(CV=2.61%)顆粒在網格基板上之結果[10] 10
圖7。SEM圖,右上的小圖為放大倍率[11] 11
圖8二維膠體顆粒結構的SEM圖,分別為a) 519nm;b)442nm;c)222nm較小的顆粒被819nm較大的顆粒受限住,造成六方形的結構產生,用實線標示可以更清楚看出[12] 12
圖9具有親水性和疏水性圖案化的矽晶片基板在不同轉速下的FESEM圖,分別為a)500rpm及親水表面;b)500rpm及疏水表面;c)1000rpm及親水表面;d)1000rpm及疏水表面;e)1500rpm及親水表面;f)1500rpm及疏水表面,在1500rpm下(g)親水性和(h) 疏水性表面形成二維結構的斜邊視圖[13] 13
圖10 Table1為粒徑417nm的顆粒在旋轉塗佈時的參數;下圖為在不同參數下的SEM圖[14] 14
圖 11PS單層奈米顆粒不同尺寸的SEM圖(a-d為小倍率圖;i-l為大倍率圖),其中a,e:223nm;b,f:347nm;c,g:509nm;d,h:1300nm[15] 15
圖12 496nm PS顆粒排列出面積為40×40μ㎡大小的單層遮罩結構[18] 17
圖 13 b圖為倍率較小之SEM圖;c圖為倍率較大之SEM圖[19] 17
圖14調整不同尺寸比(Rs=dsmall/dlarge)以及顆粒數量比(RN=Nsmall/Nlarge)所獲得不同結構。大顆粒都是使用粒徑為1063nm。a-c)Rs=0.19(dsmall=202 nm)和RN=(a)2; (b)6和(c)9;d-f) Rs=0.21(dsmall=225 nm)和RN=(d)2; (e)6和(f)9;g-h) Rs=0.29(dsmall=303 nm)和RN=(g)2和(h)6;j) Rs=0.32(dsmall=336 nm)和RN=2;k)Rs=0.40(dsmall=408 nm)a和RN=2; i-l) sample shown in b) in lower magnifi cation (i)為b圖的較小倍率以及(l)為側側向圖[20] 18
圖 15 a圖為基板在兩種不同角度的圖;b圖為顆粒單層六方最密堆積的SEM圖[21] 19
圖 16左圖(a)(b)為基板傾斜不同角度時與水的接觸角;右圖為不同角度之橫段面SEM圖[22] 20
圖 17左圖:(c)20μms-1(d)45μms-1 (e)75μms-1;右圖:單層PS顆粒表面SEM圖分別顆粒大小為(a)600nm(b)360nm(c)260nm[23] 21
圖 18斷面結構SEM圖。粒徑大小為246nm奈米球,上圖:抬升速率為0.2μm/s;懸浮液濃度為1.5%(V/V0);厚度為15層,下圖: 抬升速率為0.1μm/s;懸浮液濃度為3%(V/V0);厚度為31層[24] 22
圖 19大顆粒與小顆粒不同數量之比值,分別是(a)NS/L=2(b) NS/L=4(c)NS/L=4(d)NS/L=8[25] 23
圖 20隨著時間透過電壓的變化來促使排列更緊密[26] 24
圖 21排列在六邊形圖案化基材的奈米顆粒(顆粒粒徑545nm,圖案週期722nm),分別為(a)單層(b)雙層(c)三層以及(d)四層[27] 25
圖 22微球排列於超親水基板並使用超親水邊界之OM圖,其中微球懸浮液濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的水中,揮發溫度為常溫下。 38
圖 23微球排列於疏水基板之OM圖,其中微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的水中,揮發溫度為常溫下。 39
圖 24微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的水中,揮發溫度為常溫下並排列於微米結構基板上之OM圖。 40
圖 25 F13-TCS silane附著於微米結構基板表面上,其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的水中,揮發溫度為常溫且無邊界之排列結果OM圖。 42
圖 26水與乙二醇重量百分比為8:2其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果OM圖。 45
圖 27水與乙二醇重量百分比為7:3其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果COM圖。 45
圖 28水與乙二醇重量百分比為6:4其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果OM圖。 46
圖 29水與乙二醇重量百分比為5:5其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果OM圖。 47
圖 30水與乙二醇重量百分比為4:6其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果OM圖。 48
圖 31水與乙二醇重量百分比為3:7其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果OM圖。 48
圖 32水與乙二醇重量百分比為2:8其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果OM圖。 49
圖 33水與乙二醇重量百分比為1:9其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為120℃之排列結果OM圖。 49
圖 34(a)100℃(b)120℃其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中排列結果OM圖。其中可以明顯看到在120℃時多層結構較100℃時多。 51
圖 35水與乙二醇重量百分比為1:9其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為80℃之排列結果OM圖。 52
圖 36水與乙二醇重量百分比為1:9其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為90℃之排列結果OM圖。 52
圖 37水與乙二醇重量百分比為1:9其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為100℃之排列結果OM圖。 53
圖 38水與乙二醇重量百分比為1:9其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為110℃之排列結果OM圖圖。 54
圖 39水與乙二醇重量百分比為1:9其微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為130℃之排列結果OM圖 55
圖 40微球濃度降低為添加20μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為100℃之排列結果OM圖。 55
圖 41(a)表面無附著F13-TCS silane微球濃度為添加60μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的水中 (b)表面有附著F13-TCS silane (c)為微米結構基板表面改為石墨鍍層且無邊界,微球濃度為添加20μL之2.5wt%微球懸浮液於100mL的混合溶液中,揮發溫度為100℃之排列結果OM圖。 57
圖 42明顯看到微球因差排所造成的影響。 58




表目錄
表1石墨及鈦鍍層之濺鍍參數表 34

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