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系統識別號 U0002-2606200617262900
中文論文名稱 雙相共平面基材之潤濕機制
英文論文名稱 The Wetting Mechanism of Bi-Phase Coplanar Substrate
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 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 李宏洲
研究生英文姓名 Hung-Chou Lee
學號 693340274
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-05-26
論文頁數 127頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-張子欽
委員-蔡有仁
委員-林清彬
中文關鍵字 共平面雙相基材  接觸角  動態氣墊 
英文關鍵字 bi-phase coplanar substrate  contact angle  dynamic air cushion 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究係以微影製程及類化學氣相沉積製程,製備俱親水性二氧化矽及疏水性F13-TCS自我組裝單分子層之共平面雙相基材,並定義共平面之意義;以共平面雙相基材及俱微結構二氧化矽基材探討Cassie & Baxter's model。共平面雙相基材之平均接觸角隨著疏水性第二相的面積比例增加而上升,且第二相面積比例75%之共平面雙相基材的平均接觸角與100%第二相面積比例之基材的平均接觸角相當;共平面雙相基材之平均接觸角皆高於以Cassie & Baxter's model推導之理論值。液體於微結構基材表面的平均接觸角可因殘留於凹穴之氣體形成封閉氣室而提高;共平面雙相基材表面之雙相交互作用使空氣殘留於固—液界面之間,而形成不同於一般封閉氣室的動態氣墊,且液體潤濕表面因存有動態氣墊而變形,不再是一平整表面,且共平面雙相基材原理想之固—液潤濕界面可能以液—氣界面之潤濕行為呈現,接觸角亦因氣墊效應而上升。
英文摘要 In this thesis, the bi-phase coplanar substrate including hydrophilic SiO2 and hydrophobic F13-TCS self-assembled monolayer was manufactured by lithography and chemical vapor deposition processes, and the meaning of “coplanar” was also defined. Cassie & Baxter's model was investigated through the bi-phase coplanar and micro-structured SiO2 substrate. The average contact angle of the bi-phase coplanar substrate was raised with the increasing of the hydrophobic surface area, and the average contact angle of the bi-phase coplanar substrate with 75% hydrophobic surface area fraction was almost equaled to 100% hydrophobic surface substrate. The average contact angles of bi-phase coplanar substrates were all higher than those calculated through Cassie & Baxter's model. The average contact angle of the micro-structured substrate was raised by closed air cushion due to the air trapped in the microstructure. Because of the interaction between hydrophilic and hydrophobic phase on the bi-phase coplanar substrate surface, the air was trapped at the solid-liquid interface and formed dynamic air cushion instead of closed one. The wetting surface of the liquid wasn't a flat surface and transformed due to dynamic air cushion, and the wetting mechanism of the bi-phase coplanar substrate was assumed like liquid-air wetting behavior instead of original ideal solid-liquid wetting behavior. The average contact angle was also raised by air cushion effect.
論文目次 總目錄
總目錄………………………………………………………………I
圖目錄…………………………………………………………………IV
表目錄…………………………………………………………………IX
符號說明……………………………………………………………….XI
中文摘要…………………………………………………………XIII
英文摘要……………………………………………………………XIV
壹、導論……………………………………………………………1
1-1 前言……………………………………………………………1
1-2 文獻回顧………………………………………………………2
1-2.1表面性質………………………………………………2
1-2.1.1 表面張力(表面能)與接觸角…………………2
1-2.1.2 Wenzel’s model…………………………………4
1-2.1.3 Cassie and Baxter’s model………………………4
1-2.1.4 接觸較遲滯……………………………………5
1-2.2 粗糙表面潤濕機制……………………………………6
1-2.2.1 碎形結構………………………………………6
1-2.2.2 俱紋理表面……………………………………8
1-2.2.3 超疏水行為與粗糙基材吸附之關係………11
1-2.2.4 非均質基材表面……………………………13
1-2.3 疏水性基材製程………………………………………15
1-2.3.1 微機電製程與微結構壓印…………………15
1-2.3.2 溶膠—凝膠合成法…………………………16
1-2.3.3 陽極處理……………………………………17
1-2.3.4 奈米球模板…………………………………19
1-2.3.5 自我成型微結構高分子薄膜………………20
1-2.3.6 機械組裝單分子層改質……………………21
1-2.3.7 二元協同奈米界面材料……………………22
1-3 研究範疇……………………………………………………23
貳、實驗設計……………………………………………………………51
2-1 實驗材料與設備……………………………………………51
2-1.1 實驗材料………………………………………………51
2-1.2 實驗設備………………………………………………51
2-2 共平面雙相(親水/疏水性)基材製程………………………52
2-2.1 光罩設計………………………………………………52
2-2.2 二氧化矽雙相基材製程………………………………53
2-2.3 基材表面氫氧化………………………………………53
2-2.4 第二相(疏水性)沉積製程……………………………55
2-2.5 第一相(親水性)還原…………………………………56
2-3 俱表面微結構基材製程……………………………………56
2-4 表面粗糙度量測……………………………………………57
2-5 表面形態觀察………………………………………………57
2-6 接觸角量測…………………………………………………57
參、結果與討論…………………………………………………………65
3-1 共平面雙相基材……………………………………………65
3-1.1 雙相面積比例定義…………………………………65
3-1.2 SAM沈積………………………………………………66
3-1.3 雙相基材表面形態……………………………………68
3-1.4 雙相基材表面粗糙度…………………………………70
3-2 俱微結構基材之表面形態…………………………………71
3-3 共平面雙相及俱微結構基材之潤濕行為…………………72
3-3.1 共平面雙相基材之潤濕行為…………………………72
3-3.2 俱微結構親水性基材之潤濕行為……………………74
3-4 雙相共平面—液界面之微觀結構與潤濕關係……………76
3-4.1 液相表面微結構………………………………………76
3-4.2 動態氣墊………………………………………………78
肆、結論……………………………………………………………121
伍、參考文獻………………………………………………………123

圖目錄
圖1-1 俱微米尺寸表皮細胞之蓮葉表面SEM觀察圖……………25
圖1-2 水珠於蓮葉表面之照片………………………………………26
圖1-3 Young’s theory plot of three-phase contact…………27
圖1-4 (a)Wenzel’s model;(b)Wenzel’s contact angle與Young’s contact angle之關係圖…………………………………28
圖1-5 (a)CB’s model;(b)CB’s contact angle與Young’s contact angle之關係圖………………………………………………29
圖1-6 液滴即將滑動瞬間之前進角θa與倒退角θr示意圖……30
圖1-7 蠟之前進角、倒退角與基材表面粗糙度之關係圖…………31
圖1-8 (a)模擬CB’s drop之OM觀察圖;(b)模擬Wenzel’s drop之OM觀察圖………………………………………………………32
圖1-9 (a)Alkylketene dimer(AKD)之表面;(b)截面形態SEM觀察圖………………………………………………………………………33
圖1-10 碎形表面接觸角與破碎幾何形態關係圖……………………34
圖1-11 Shibuichi等人對平面/粗糙面之接觸角量測結果(黑圓點),以及Bico等人推導之理論方程式(黑實線)………35
圖1-12 俱表面粗糙度之超親水性基材產生的液體擴散hemi-wicking示意圖………………………………………………………36
圖1-13 Wenzel’s及CB’s model合併圖…………………………37
圖1-14 俱微結構之高分子基材對液滴加壓,以及液滴內聚力抵抗黏附力之OM觀察圖……………………………………………38
圖1-15 表面俱雙相陣列基材不同方向之三相線影響示意圖……39
圖1-16 (a)PDMS疏水性基材製程示意圖;(b)翻模後俱微結構之PDMS基材SEM觀察圖………………………………………43
圖1-17 經表面改性及氧氣電漿蝕刻之聚苯乙烯奈米球陣列SEM及接觸角OM觀察圖(右上方)……………………………………45
圖1-18 製備俱立體蜂巢結構之氟化高分子聚合物實驗架設圖…46
圖1-19 (a)立體蜂巢結構;(b)撕裂過程;(c)針墊結構之示意圖及SEM觀察圖…………………………………………………………47
圖1-20 機械組裝單分子層製程示意圖……………………………48
圖1-21 不同MAM-PDMS基材的接觸角與暴露水分時間關係圖…49
圖1-22 (a)二元協同奈米界面材料之示意圖;(b)傳統單相表面及複合表面示意圖……………………………………………………50
圖2-1 不同透光面積比例及設計尺寸之光罩圖形陣列OM觀察圖...59
圖2-2 二氧化矽雙相基材製程示意圖………………………60
圖2-3 Beck等人進行奈米模仁表面改質之實驗示意圖……………61
圖2-4 F13-TCS與基材表面氫氧基之化學反應示意圖………………62
圖2-5 類化學氣相反應沈積系統示意圖…………………………63
圖2-6 微結構二氧化矽基材製程示意圖………………………64
圖3-1 俱不同第二相面積比例及原始設計尺寸之光阻/基材OM灰階、70%對比觀察圖…………………………………………81
圖3-2 二氧化矽表面經液/氣相SAMs改質後之表面AFM觀察圖…82
圖3-3 經底部210℃加熱後俱不同SAM表觀面積比例及原始設計尺寸之光阻/基材OM灰階、70%對比觀察圖……………………83
圖3-4 經超音波震盪1分鐘後俱不同SAM表觀面積比例及原始設計尺寸之共平面雙相基材OM灰階、70%對比觀察圖…………84
圖3-5 經超音波震盪30分鐘後俱不同SAM表觀面積比例及原始設計尺寸之共平面雙相基材OM灰階、70%對比觀察圖…………85
圖3-6 俱不同SAM表觀面積比例及原始設計尺寸之共平面雙相基材SEM觀察圖……………………………………………………86
圖3-7 俱不同SAM表觀面積比例,邊長40μm之共平面雙相基材AFM平坦化之表面形貌觀察圖……………………………………87
圖3-8 俱不同SAM表觀面積比例,邊長10μm之共平面雙相基材AFM平坦化表面形貌觀察圖………………………………………88
圖3-9 俱不同SAM表觀面積比例,邊長40μm之共平面雙相基材AFM摩擦力量測圖…………………………………………………89
圖3-10 俱不同SAM表觀面積比例,邊長10μm之共平面雙相基材AFM摩擦力量測圖……………………………………………90
圖3-11 SAM表觀面積比例25%,邊長40μm之共平面雙相基材AFM表面粗糙度量測圖……………………………………………91
圖3-12 SAM表觀面積比例50%,邊長40μm之共平面雙相基材AFM表面粗糙度量測圖…………………………………………92
圖3-13 SAM表觀面積比例75%,邊長40μm之共平面雙相基材AFM表面粗糙度量測圖……………………………………………93
圖3-14 SAM表觀面積比例25%,邊長10μm之共平面雙相基材AFM表面粗糙度量測圖……………………………………………94
圖3-15 SAM表觀面積比例50%,邊長10μm之共平面雙相基材AFM表面粗糙度量測圖……………………………………………95
圖3-16 SAM表觀面積比例75%,邊長10μm之共平面雙相基材AFM表面粗糙度量測圖……………………………………………96
圖3-17 俱不同SAM表觀面積比例,邊長40μm之共平面雙相基材α-STEP觀察圖………………………………………………98
圖3-18 俱不同SAM表觀面積比例,邊長10μm之共平面雙相基材α-STEP觀察圖…………………………………………………99
圖3-19 俱不同表面空氣面積比例及原始設計尺寸之微結構基材OM灰階、70%對比觀察圖………………………………………100
圖3-20 俱不同表面空氣面積比例及原始設計尺寸之微結構基材SEM觀察圖………………………………………………………101
圖3-21 不同SAM表觀面積比例之共平面雙相基材的平均接觸角.103
圖3-22 液體潤濕親水性基材時理想與真實之潤濕行為上視及前視示意圖…………………………………………………………104
圖3-23 俱不同SAM表觀面積比例之共平面雙相基材的接觸角平均實驗值與根據CB’s model推導之理論值比較…………106
圖3-24 俱不同表面空氣面積比例之微結構基材的平均接觸角…108
圖3-25 俱不同表面空氣面積比例之微結構基材的接觸角平均實驗值與根據CB’s model推導之理論值比較………………………110
圖3-26 液體潤濕表面空氣面積比例25%之微結構基材時,空氣未填滿微結構內100%的體積,液體陷入微結構之示意圖……111
圖3-27 使用小液滴量測俱不同第二相面積比例之基材的接觸角平均實驗值與根據CB’s model推導之理論值比較………………112
圖3-28 表面空氣面積25%,邊長40μm圖形之微結構基材的接觸角量測觀察圖……………………………………………………113
圖3-29 SAM 表觀面積25%,邊長10μm圖形之共平面雙相基材的接觸角量測觀察圖………………………………………………114
圖3-30 SAM 表觀面積25%,邊長40μm圖形之共平面雙相基材的接觸角量測觀察圖………………………………………………115
圖3-31 空氣因液體與SAM表觀面積比例25%之共平面雙相基材表面雙相不同的交互作用可進入而儲存於固—液界面之間,產生封閉氣室,改變了液體於潤濕表面之外型輪廓示意圖…116
圖3-32 空氣因液體與SAM表觀面積比例50%、75%之共平面雙相基材表面雙相不同的交互作用可進入而儲存於固—液界面之間,產生氣膜(動態氣墊),改變了液體於潤濕表面之外型輪廓示意圖………117
圖3-33 雙相長度與其交互作用之關係推測示意圖………118
圖3-34 SAM 表觀面積50%,邊長40μm圖形之共平面雙相基材的接觸角動態觀察圖……………………………………………119
圖3-35 SAM 表觀面積75%,邊長40μm圖形之共平面雙相基材的接觸角動態觀察圖……………………………………………120

表目錄
表1-1.1 測試液體於親水性基材Au-S(CH2)16COOH之接觸角……40
表1-1.2 測試液體於疏水性基材Au-S(CH2)16CH3之接觸角………40
表1-2 測試液體於雙相基材之接觸角實驗值及理論計算值:其三相線與雙相陣列排向水平…………………………………………41
表1-3 測試液體於雙相基材之接觸角實驗值及理論計算值:其三相線與雙相陣列排向垂直…………………………………………42
表1-4 四種不同組成薄膜之氧化鋁-玻璃基材經UV照射前、後之接觸角變化結果表………………………………………………44
表3-1(a) 俱不同SAM表觀面積比例,邊長10μm圖形之共平面雙相基材經AFM掃描後之表面粗糙度………………………97
表3-1(b) 俱不同SAM表觀面積比例,邊長40μm圖形之共平面雙相基材經AFM掃描後之表面粗糙度………………………97
表3-2(a) 俱不同SAM表觀面積比例之共平面雙相基材經過三次量測的平均接觸角及平均小液滴體積………………………102
表3-2(b) 俱不同SAM表觀面積比例之共平面雙相基材經過三次量測的平均接觸角及平均大液滴體積………………………102
表3-3(a) 使用小液滴量測俱不同SAM表觀面積比例之共平面雙相基材的接觸角平均實驗值與根據CB’s model推導之理論值對照表…………………………………………………………105
表3-3(b) 使用大液滴量測俱不同SAM表觀面積比例之共平面雙相基材的接觸角平均實驗值與根據CB’s model推導之理論值對照表………………………………………………………....105
表3-4(a) 俱不同表面空氣面積比例之微結構基材經過三次量測的平均接觸角及平均小液滴體積………………………………107
表3-4(b) 俱不同表面空氣面積比例之微結構基材經過三次量測的平均接觸角及平均大液滴體積……………………………....107
表3-5(a) 小液滴量測俱不同表面空氣面積比例之微結構基材的接觸角平均實驗值與根據CB’s model推導之理論值對照表…109
表3-5(b) 大液滴量測俱不同表面空氣面積比例之微結構基材的接觸角平均實驗值與根據CB’s model推導之理論值對照表…109


參考文獻 [1] W. Barthlott & C. Neinhuis “Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces.” Planta 202(1997), pp.1-8
[2] http://www.botanik.uni-bonn.de/system/lotus/en/prinzip_html.html
[3] H. M. Shang et al. “Optically transparent superhydrophobic silica-based films.” Thin Solid Films 472 (2005), pp.37-43
[4] B.S. Hong et al. “Endurable water-repellent glass for automobiles.” Thin Solid Films 351(1999), pp.274-278
[5] Cécile Cottin-Bizonne, Jean-Louis Barrat, Lydéric Bocquet & Elisabeth Charlaix “Low-friction flows of liquid at nanopatterned interfaces.” Nature materials 2(2003), pp.237-240
[6] Andreas Bertz, Matthias Küchler, Roman Knöfler & Thomas Gessner “A novel high aspect ratio technology for MEMS fabrication using standard silicon wafers.” Sensors and Actuators A 97-98(2002), pp.691-701
[7] Chien-Te Hsieh et al. “Influence of surface roughness on water- and oil-repellent surfaces coated with nanoparticles.” Applied Surface Science 240(2005), pp.318–326
[8] Kiyoharu Tadanaga, Junichi Morinaga, Atsunori Matsuda & Tsutomu Minami “Superhydrophobic-Superhydrophilic Micropatterning on Flowerlike Alumina Coating Film by the Sol-Gel Method.” Chem. Mater. 12(2000), pp.590-592
[9] Pierre Descamps, Jean Iker & Andreas T. Wolf “Effects of Anodized Aluminium Surface Parameters on the Long-Term Adhesion of Silicone Structural Glazing Sealants.” Construction and Building materials 10(1996), No. 7, pp.527-538
[10] Christy L. Haynes & Richard P. Van Duyne “Nanosphere Lithography: A Versatile Nanofabrication Tool for Studies of Size-Dependent Nanoparticle Optics.” J. Phys. Chem. B 105(2001), pp.5599-5611
[11] Jau-Ye Shiu, Chun-Wen Kuo, Peilin Chen & Chung-Yuan Mou “Fabrication of Tunable Superhydrophobic Surfaces by Nanosphere Lithography.” Chem. Mater. 16(2004), No. 4, pp.561-564
[12] Hiroshi Yabu, Masafumi Takebayashi, Masaru Tanaka & Masatsugu Shimomura “Superhydrophobic and Lipophobic Properties of Self-Organized Honeycomb and Pincushion Structures.” Langmuir 21(2005), pp.3235-3237
[13] Jan Genzer & Kirill Efimenko “Creating Long-Lived Superhydrophobic Polymer Surfaces Through Mechanically Assembled Monolayers” Science 290(2000), pp.2130-2133
[14] Johan Meijer “Laser Beam Machining (LBM), State of the Art and New Opportunities.” Journal of Materials Processing Technology 149(2004), pp.2-17
[15] Hiroaki Onoe, Kiyoshi Matsumoto & Isao Shimoyama “Three-Dimensional Micro-Self-Assembly Using Hydrophobic Interaction Controlled by Self-Assembled Monolayers.” Journal of Microelectromechanical Systems 13(2004), No. 4, pp.603-611
[16] L. Jiang et al. “Binary Cooperative Complementary Nanoscale Interfacial Materials.” Pure Appl. Chem. 72(2000), Nos. 1–2, pp.73-81
[17] T. Young “An Essay on the Cohesion of Fluids” Philosophical Transactions of the Royal Society of London 95(1805), pp.65-87
[18] E. M. Blokhuis, Y. Shilkrot & B. Widom “Young’s law with gravity” Molecular Physics 86(1995), pp.891-899
[19] Robert N. Wenzel “Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water.” Industrial and Engineering Chemistry 28(1936), No. 8, pp.988-994
[20] B. D. Cassie & S. Baxter “Wettability of Porous Surfaces.” Trans. Faraday Soc. 40(1944), pp.546-551
[21] Neelesh A. Patankar “On the Modeling of Hydrophobic Contact Angles on Rough Surfaces.” Langmuir 19(2003), pp.1249-1253
[22] T. Onda, S. Shibuichi, N. Satoh & K. Tsujii “Super-Water-Repellent Fractal Surfaces.” Langmuir 12(1996), No. 9, pp.2125-2127
[23] José Bico, Uwe Thiele & David Quére “Wetting of Textured Surfaces.” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 206(2002), pp.41-46
[24] G. McHale, N. J. Shirtcliffe & M. I. Newton “Contact-Angle Hysteresis on Super-Hydrophobic Surfaces” Langmuir 20 (2004), pp.10146-10149
[25] R. E. Johnson & R. H. Dettre “Contact angle hysteresis (I) Study of an idealized rough surface” Advances in Chemistry Series 43(1964), pp.112-135
[26] Bo He, Junghoon Lee & Neelesh A. Patankar “Contact angle hysteresis on rough hydrophobic surfaces.” Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 248(2004), pp.101-104
[27] Bo He, Neelesh A. Patankar & Junghoon Lee “Multiple Equilibrium Droplet Shapes and Design Criterion for Rough Hydrophobic Surfaces.” Langmuir 19(2003), pp.4999-5003
[28] Satoshi Shibuichi, Tomohiro Onda, Naoki Satoh & Kaoru Tsujii “Super Water-Repellent Surfaces Resulting from Fractal Structure.” J. Phys. Chem. 100(1996), pp.19512-19517
[29] E. G. Shafrin & W. A. Zisman “Contact angle, wettability and adhesion.” Advances in Chemistry Series 43(1964), pp.145-157
[30] Aurélie Lafuma & David Quéré “Superhydrophobic states” Nature Materials 2(2003), pp.457-460
[31] Jaroslaw Drelich & Jan D. Miller “Modification of the Cassie Equation” Langmuir 9(1993), pp.619-621
[32] Amit Kumar, Hans A. Biebuyck & George M. Whitesides “Patterning Self-Assembled Monolayers:Applications in Materials Science” Langmuir 10(1994), pp.1498-1511
[33] Jaroslaw Drelich, James L. Wilbur, Jan D. Miller & George M. Whitesides “Contact Angles for Liquid Droplets at a Model Heterogeneous Surface Consisting of Alternating Parallel Hydrophobic/Hydrophilic Strips” Langmuir 12(1996), pp.1913-1922
[34] Jaroslaw Drelich & Jan D. Miller “The Effect of Solid Surface Heterogeneity and Roughness on the Contact Angle/Drop (Bubble) Size Relationship” J. Colloid Interface Sci. 164(1994), pp.252-259
[35] Neil J Shirtcliffe et al. “The use of high aspect ratio photoresist (SU-8) for super-hydrophobic pattern prototyping.” J. Micromech. Microeng. 14(2004), pp.1384-1389
[36] Ulrike Diebold “The surface science of titanium dioxide.” Surface Science Reports 58(2003), pp.53-229
[37] Rong Wang et al. “Photogeneration of Highly Amphiphilic TiO2 Surfaces.” Adv. Mater. 10(1998), No. 2 pp.135-138
[38] M. Beck et al. “Improving stamps for 10 nm level wafer scale nanoimprint lithpgraphy” Microelectronic Engineering 61–62(2002), pp.441–448
[39] Gun-Young Jung et al. “Vapor-Phase Self-Assembled Monolayer for Improved Mold Release in Nanoimprint Lithography” Langmuir 21(2005), pp.1158-1161
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