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系統識別號 U0002-1807201221045600
中文論文名稱 非線性漣漪結構的製造
英文論文名稱 Fabrication of non-linear ripple structure
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 簡呈安
研究生英文姓名 Cheng-An Jian
學號 699370150
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-26
論文頁數 80頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-蔡有仁
委員-張子欽
中文關鍵字 轉印  非線性漣漪結構 
英文關鍵字 imprint  non-linear ripple structure 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究已成功地將固化後楊氏模數為2.953MPa及0.250MPa之PDMS溶膠,藉由轉印技術,將波長為9523nm、9142 nm、8571 nm、8490 nm及6470nm、4940 nm、4700 nm、3520 nm漣漪結構之軟性模仁,分別轉印成楊氏模數為0.250MPa 及2.953MPa漣漪結構的PDMS薄膜。將轉印的PDMS薄膜分別依20%、40%、60%及80%的伸長率,給予平行及垂直於先前漣漪方向之單軸向拉伸並固定其伸長率後,經由鍍金10A厚度及回復應力後,可得到:1. 交合彎曲狀;2. 樹根狀;3.交錯狀及4.扭曲狀四種非線性漣漪結構圖案。
英文摘要 The present study purposes a novel method for making a non-linear ripple structure. First, A tension stress was applied in various Young’s modulus(E) of the polydimethylsiloxane (PDMS) film, next the following steps was should be done: fixing the tensile strain(20%, 40%, 60% and 80%) on the film, A gold layer of 10A was deposited onto the constrained PDMS film, and then releasing the strain, wavelength 9523nm、9142 nm、8571 nm、8490 nm for 2.953MPa PDMS film and 6470nm、4940 nm、4700 nm、3520 nm for 0.250MPa PDMS film ripple structure of soft masters were made, respectively. Second, E=2.953Mpa and E=0.250Mpa PDMS films replicated by imprinting method each other. And then, a tension direction corresponding to the ripple direction of prior PDMS film was applied vertical and parallel in the replicated-PDMS film, respectively. Next fixing the tensile strain (20%, 40%, 60% and 80%) on the film, a gold layer of 10A was deposited onto the constrained PDMS film, and then releasing the strain, four non-linear ripple structures were found.
論文目次 總目錄
中文摘要……………………… ……… ……………… ……………………I
英文摘要……………………… ……… ……………… ……………………Ⅱ
總目錄…………………………… ……… ……………… ……………………Ⅳ
圖目錄 …… …………………….………………………………… . ...Ⅶ
表目錄 …… …………………….…… …………………………… .ⅩⅣ
符號說明 … …… ……………….……………………… ….… ….. .ⅩⅤ
壹、導論……………………………………………………………… …1
1-1前言………………………………………………………………..1
1-2文獻回顧…………………………………………………………..2
1-2-1漣漪製作方法…………………………………………..…….2
1-2-1-1機械拉伸法……………………………..……………….2
1-2-1-2離子轟擊法………………………………………..…….3
1-2-1-3熱應力法……………………………………………..….4
1-2-1-4真空蒸鍍…………………………………………..…….6
1-2-1-5擴散法……………………………………………..…….7
1-2-1-6雷射照射法………………………………………..…….7
1-2-1-7分子束磊晶法……………………………………..…….9
1-2-1-8 UVO表面改質法…………………………………..…..10
1-2-2漣漪波紋圖案……………………………………….…..…...10
1-2-2-1人字形波紋…………….………………………..………10
1-2-2-2三角波紋…………………………….…………..………11
1-2-2-3放射狀波紋………………………….…………..………11
1-2-2-4皺波…………..……..………………….…………….….12
1-3研究範疇…………………………………………………………12
貳、實驗設計……………………………………………………….…..23
2-1實驗材料………………………………………………………....23
2-2實驗設備…………………………………………………………23
2-3實驗步驟…………………………………………………………24
2-3-1矽晶片清洗…………………………………………….……24
2-3-2 PDMS溶膠製備………………………………………….…24
2-3-3旋轉塗佈製作薄膜……………………………………….…25
2-3-4漣漪結構製作…………………………………………….…25
2-3-5轉印方位定義……………………………………………….25
2-3-5-1平行方位……………………………………………….26
2-3-5-2垂直方位……………………………………………….26
2-3-6非線性漣漪結構製作…………………………………….…26
2-3-7表面形態觀察………………………………………….……27
2-3-7-1光學顯微鏡(Optical microscopy)……………………...27
2-3-7-2掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy)….28
參、結果與討論…………………………………………………….….32
3-1漣漪結構形成的機制……………………………………………32
3-2漣漪結構的缺陷…………………………………………...…….32
3-2-1漣漪差排(Ripple-dislocation)……………………………….32
3-2-2排向表面裂縫(Oriented surface crack)……………………..33
3-3拉伸應變及楊氏模數對PDMS薄膜漣漪結構缺陷之影響… …33
3-4伸長率及楊氏模數對漣漪型態的影響…………………………35
3-5轉印方位對漣漪型態的影響……………………………………36
3-5-1平行方向…………………………………………………….36
3-5-2垂直方向………………………………………………….…38
3-6非線性漣漪結構接觸角量測……………………………………40
肆、結論………………………………………………………………..75
伍、參考文獻…………………………………………………………..77

圖目錄
圖1-1與拉伸方向平行的漣漪及垂直於拉伸方向的裂痕[2]。………13
圖1-2與收縮方向平行的漣漪及垂直於收縮方向的裂痕[2]。……..13
圖1-3 聚對苯二甲酸乙二酯(PET)橡膠基板上塗佈二氧化矽(SiO2)薄
膜隨著拉伸應變的增加,裂縫會隨之增加[5]。…………….14
圖1-4 (a)離子空氣槍設備;(b),(c)離子束以角度θ=0°入射,產生的
漣漪型態與離子束成垂直正交的關係;(d) 離子束以角度θ
=80°入射,產生的漣漪型態沿著離子束前進的方向[6]。…15
圖1-5 照射氧離子電漿時間與漣漪波長關係圖[14]。………………16
圖1-6 UV曝光與未曝光區域之楊式模數不同,而得到漣漪圖案形
成之示意圖[15]。……………………………………………….17
圖1-7 (a)自製之觀察漣漪圖案成長設備;(b)漣漪圖案成長之連續過
程[18]。…………………………………………………………18
圖1-8 (a)~(d)漣漪圖案接合連續過程[18]。………………………….18
圖1-9 雙光束雷射定位入射示意圖[21]。……………………………19
圖1-10 (a)人字形波紋;(b)兩尖點被剪切與鄰近的人字形波紋相互交
錯;(c)因人字形波紋尖點處附著力較強,使得垂直於桌面的
正向應力,將尖點向上拉伸而出現第三角之示意圖[24]。….20
圖1-11 垂直於桌面的正向應力使人字形波紋波峰挫曲形成銳角
[24]。………………………………………………...………..21
圖1-12 破裂面受擠壓形成三角波紋點[24]。……………………….22
圖2-1 PDMS薄膜固定於拉伸治具上並給予拉伸應變。…………29
圖2-2 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數
=0.250Mpa漣漪方向給予拉伸應變之連續過程:(a)俱漣漪
結構E=0.250MPa之PDMS試片;(b)轉印E=0.250MPa之
PDMS試片;(c)俱漣漪結構E=2.953MPa之PDMS試片及
(d)垂直於E=0.250MPa之漣漪方向給予拉伸應變。…..….30
圖2-3 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=0.250Mpa漣漪方向給予拉伸應變之連續過程:(a)俱漣漪
結構E=0.250MPa之PDMS試片;(b)轉印E=0.250MPa之
PDMS試片;(c)俱漣漪結構E=2.953MPa之PDMS試片及
(d)垂直於E=0.250MPa之漣漪方向給予拉伸應變。….…....31
圖3-1 PDMS厚度400μm,楊氏模數為0.250MPa,鍍金10 A,拉伸應變20%,應
變回復後漣漪結構之SEM照片。…………42
圖3-2 PDMS薄膜中有孔洞,附近產生不規則之漣漪[25]。………43
圖3-3 PDMS厚度400μm,楊氏模數為0.250MPa,鍍金10 A,拉
伸應變20%,應變回復後產生漣漪差排之OM照片。…....43
圖3-4 PDMS厚度400μm,楊氏模數為0.250MPa,鍍金10 A,拉
伸應變10%,回復應變後產生之亮點及漣漪差排位置。……44
圖3-5 PDMS薄膜厚度400μm,楊氏模數為0.250MPa,鍍金10
A,拉伸應變:(a)40%;(b)80%,回復應變後之漣漪結
構。……………..……….……………….……………………..45
圖3-6 PDMS薄膜厚度400μm,鍍金10 A,楊氏模式分別為:
(a)0.250MPa (b)2.953MPa之漣漪缺陷OM照片。….........…47 圖3-7 PDMS薄膜厚度400μm,楊氏模數為0.250Mpa,鍍金10A,
不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%,回
復應變後漣漪結構之OM照片。………..……..………..……48
圖3-8 PDMS薄膜厚度400μm,楊氏模數為2.953Mpa,鍍金10
A,不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%,回復
應變後之漣漪結構OM照片。…………....….……………...49
圖3-9 PDMS薄膜厚度400μm,楊氏模數為0.250Mpa及
2.953Mpa,鍍金10 A,回復應變後,漣漪結構之波長與拉
伸應變之關係圖。…………………..…………………………50
圖3-10 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數=0.250Mpa
漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%,
鍍金 10 A及應力回復後之漣漪結構OM照片。……………………………………………51
圖3-11 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數=0.250Mpa漣
漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%,鍍
金 10 A及應力回復後之漣漪結構SEM照片。……………………………………………52
圖3-12 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數=0.250Mpa
漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%,
鍍金 10 A及應力回復後之漣漪結構示意圖。……………………………………………53
圖3-13 轉印楊氏模數=2.953Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數=2.953Mpa漣
漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%,鍍金
10A及應力回復後之漣漪結構OM照片。………………………………………………54
圖3-14 轉印楊氏模數=2.953Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數=2.953Mpa漣
漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%,鍍金
10A及應力回復後之漣漪結構SEM照片。………………………………………………………55
圖 3-15 轉印楊氏模數=2.953Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數
=2.953Mpa漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;
(c)60%及(d)80%,鍍金10A及應力回復後之漣漪結構示意
圖。……………………………………………………………56
圖3-16 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=0.250Mpa漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;
(c)60%及(d)80%,鍍金10 A及應力回復後之漣漪結構OM
照片。……………………………………………………..…..57
圖3-17 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=0.250Mpa漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;
(c)60%及(d)80%,鍍金10 A及應力回復後之漣漪結構SEM
照片。……………………………………………………..….58
圖 3-18 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=0.250Mpa漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;
(c)60%及(d)80%,鍍金10 A及應力回復後之漣漪結構示意
圖。…………………………………………………………...59
圖 3-19 轉印楊氏模數=2.953Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=2.953Mpa漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;
(c)60%及(d)80%,鍍金10 A及應力回復後之漣漪結構OM
照片。…………………………………………………….…..60
圖 3-20 轉印楊氏模數=2.953Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=2.953Mpa漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;
(c)60%及(d)80%,鍍金10 A及應力回復後之漣漪結構SEM
照片。…………………………………………………………61
圖 3-21 轉印楊氏模數=2.953Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=2.953Mpa漣漪方向給予不同拉伸應變:(a)20%;(b)40%;
(c)60%及(d)80%,鍍金10 A及應力回復後之漣漪結構示意
圖。……………………………………………………………62
圖3-22 轉印楊氏模數=2.953Mpa之漣漪結構,再平行於楊氏模數
=2.953Mpa漣漪方向給予80%拉伸應變,鍍金10 A及應力
回復後之二維漣漪結構SEM圖。……………………..……..63
圖3-23 垂直於交合彎曲狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。……………………….64
圖3-24 平行於交合彎曲狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。……………………….65
圖3-25 垂直於樹根狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。……………………….66
圖3-26 平行於樹根狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。……………………….67
圖3-27 垂直於交錯狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。……………………….68
圖3-28 平行於交錯狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。……………………….69
圖3-29 垂直於扭曲狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。……………………….70
圖3-30 平行於扭曲狀漣漪結構拉伸方向之接觸角試驗:
(a)20%;(b)40%;(c)60%及(d)80%。………………….……..71
圖3-31 轉印楊氏模數=0.250Mpa之漣漪結構,再垂直於楊氏模數
=0.250Mpa漣漪方向給予拉伸應變60%:(a)有鍍金層及(b)
無鍍金層。…………………………………………………...74

表目錄
表一、不同預聚合物:硬化劑比率之楊氏模數[30]。……………….46
表二、 PDMS薄膜厚度400μm,楊氏模數為2.953MPa,鍍金10 A,
應力回復後,不同拉伸應變與漣漪波長之關係。…………..50
表三、垂直及平行於交合彎曲狀漣漪結構拉伸方向之接觸角實驗...72
表四、垂直及平行於樹根狀漣漪結構拉伸方向之接觸角實驗……...72
表五、垂直及平行於交錯狀漣漪結構拉伸方向之接觸角實驗……...73
表六、垂直及平行於扭曲狀漣漪結構拉伸方向之接觸角實驗……...73

符號說明
ν:蒲松比(Poisson’s ration)
α(℃-1):熱擴散係數(Coefficient of thermal expansion)
E(Pa):楊氏模數(Young’s modulus)
TD(℃):蒸鍍溫度(Deposition temperature)
T(℃):環境溫度(Environment temperature)
下標值(m,p):分別為蒸鍍層、PDMS
t:PDMS薄膜所蒸鍍之薄膜厚度
下標s、p:代表蒸鍍層及基材
4πM=104 Oe:為一特定值
Hk:當時給予之電場大小
Lh :薄膜試片厚度之二分之一
λ:雷射之波長
α:入射角。
θ:雷射光射與水平面法線之夾角
ρ:密度
R:氣體常數
T:溫度,以絕對溫度(°K)表示
(Mc) ¯:聚合體交鏈硬化之間的數目平均分子量
(Mn) ¯:聚合體交鏈硬化之前的平均分子量
Lo:試片未拉伸前之長度
Lc:聚合體拉伸後之長度
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