簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 吳文獻
Wu, Wen-Hsien
論文名稱： 奈米球微影術於奈米製程技術之應用與發展
Development of nanofabrication technique using Nanosphere Lithography
指導教授： 張允崇
Chang, Yun-Chorng
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 68
中文關鍵詞： 局部表面電漿 、奈米球微影術
外文關鍵詞： nanosphere lithography, localized surface plasmon
相關次數： 點閱：78  下載：4 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 　　本論文研究近來熱門的奈米結構製造技術：奈米球微影術(Nanosphere lithography; NSL)，奈米球微影術是利用奈米球排列出二維平面的球陣列當作一種遮罩，利用此遮罩可以製作出奈米結構。實驗上分成兩個部份：(1)球陣列製作，以SiO2微米球為主要材料，在陣列製作上採取Drop Method 和Capping Method兩種方式，並且探討讓SiO2微米球在玻璃基板上能夠有單層且有序排列的方式與條件。(2)奈米球微影術應用於奈米金屬粒子結構的製作及光學特性研究。
    　　在製作球陣列方面，實驗發現Drop Method並不能夠完全達成平面上皆是單層球排列的分佈，而Capping Method能有機會達成大面積單層球排列，同時實驗發現溶液粒子密度對於球陣列的形成有某種程度的影響，在平行板的結構上，當溶液粒子密度與結構需求的粒子密度的比值小於0.4時，則平面上並不容易產生陣列的排列，而比值大於1時，球陣列除了單層球的排列外，多層球堆疊的現象也越來越明顯。除了溶液粒子密度的實驗測試外，實驗也嘗試改變微米球水溶液的溶劑，加入甲醇觀察是否能改善球的排列性，在本文中也嘗試在基板上事先做好圖案，利用Capping Method的方式使得球能夠排成所需要的圖案。
    　　奈米結構的製作上，利用SiO2微米球陣列當作奈米球微影術的遮罩，鍍上金、銀和鋁薄膜，再將球移除後，即得具有奈米金屬粒子結構的金屬薄膜，並進一步量測此金屬薄膜在光學穿透率量測上的特性表現，觀察是否有局部表面電漿共振(Localized Surface Plasmon Resonance)效應的存在。實驗發現，不管是何種金屬粒子，當金屬粒子的尺寸越大時，共振波長將會有紅位移(Red Shift)的現象產生。同時，當金屬粒子鍍上二氧化矽薄膜時，由於環境介電常數的改變，造成吸收光譜上的共振波長也有紅位移的現象產生。一連串的實驗結果顯示，利用奈米球微影術製作的奈米金屬粒子確實有局部表面電漿共振效應的現象。

    　　Recently, Nanosphere lithography (NSL) has attracted a lot of interests because it is potentially a low-cost nanofabrication technique Nanostructure fabrications using NSL have been realized by various researchers. In this dissertation, nanofabrication using NSL has been studied and successfully demonstrated. The content of this dissertation is divided into two parts. First, two experimental methods (Drop Method and Capping Method) that lead to the formation of the NSL shadow mask are studied. This shadow mask is composed of a single layer of closed-packed two-dimensional array of nanometer-scaled silica spheres. The experimental conditions for both methods are optimized in order to fabricate a NSL shadow mask that covers a large area. It is observed that the Drop Method usually results in smaller mask area and is not suitable for further nanofabrication. In the other hands, the Capping Method can produce mask with large area and is further studied. The effects of the particle density and the type of solution using the Capping method are investigated. Both are important factors for NSL mask fabrication. Furthermore, a template-assisted NSL mask is also successfully demonstrated.
    　　In the second part of this dissertation, the NSL shadow mask is used as the shadow mask for metal depositions. Three types of metals (gold, silver, and aluminum) are selected for due to their visible-near IR localized surface plasmon resonance (LSPR) wavelength. Arrays of metal nano-clusters on top of the substrates are successfully fabricated and can be observed by optical microscope. Absorptions peaks from localized surface plasmon resonance from the metal clusters can be observed in the absorption measurements. The resonance wavelength is found to red-shift when the size of the metal clusters increases. In addition, it is also found that the resonance wavelength is very sensitive to the surrounding of the metal clusters. The resonance wavelength red-shifts when the metal clusters are covered by a thin-film of Silicon oxide.
    　　In conclusion, nanofabrication using Nanosphere lithography is successfully demonstrated. It provides a simple and low-cost way to fabricate nanostructures on a flat surface and has huge potential for industrial and research applications.

    中文摘要 I 英文摘要 III 誌謝 VI 目錄 VII 表目錄 X 圖目錄 XI 公式表 XIV 第一章 簡介 1 1-1 前言 1 1-2 奈米科技介紹 2 1-3 奈米球自組織微影術 4 1-4 奈米球自組織陣列形成機制 5 1-5 常見奈米球排列製作技術介紹 8 1-6 區域表面電漿共振現象介紹 10 1-7 研究動機 14 第二章 實驗儀器與實驗方式介紹 16 2-1 實驗儀器 16 2-1.1 SiO2微米球溶液(Microspheres) 16 2-1.2 UV-Cleaner與玻璃親水性改善 17 2-1.3 真空熱蒸鍍系統 19 2-1.4 穿透率量測 20 2-2 實驗方式介紹 20 2-2.1 直接滴入法(Drop Method) 20 2-2.2 三角形夾法 20 2-2.3 平行板夾法 22 2-2.4 蒸發時間改變 23 2-2.5 溶劑調配 24 2-2.6 總結 24 2-3 實驗事前準備 25 2-3.1 基板清洗 25 2-3.2 溶劑比例調配 25 第三章 微米球陣列製作與結果討論 27 3-1 直接滴入法探討 27 3-2 結構粒子密度計算 30 3-3 Spacer厚度與微米球直徑關係實驗 33 3-4 微米球溶液粒子密度改變測試 37 3-5 溶劑改變測試 40 3-6 1.6μm微米球陣列製作 42 3-7 特殊圖案微米球陣列製作 46 第四章 金屬薄膜光學特性 52 4-1 金屬膜製作方式 52 4-2 電漿共振頻率 53 4-3 金屬薄膜穿透率分析 55 第五章 結論 65 5-1 結論 65 5-2 未來工作目標 66 參考文獻 67 自述 69 表目錄 表2-1 SiO2微米球資料來源 (Duke Scientific Corporation) 16 表2-2 原廠溶液各種球徑每毫升所含粒子數 17 表3-1 實驗結構所需微米球粒子密度表 31 表3-2 1.6μm球對於不同Spacer厚度是否能形成球排列區域之關係表 34 表3-3平行板夾法之各種球徑對不同Spacer厚度是否能形成球 排列區域之關係表 34 表3-4 原廠溶液與實驗結構所需溶液粒子密度比值表 36 表3-5 溶液粒子密度比值調配與表3.4參考值對照表 38 表3-6 1.6μm陣列製作條件-三角形夾法 42 表3-7 1.6μm陣列製作條件-平行板夾法 43 表3-8 特殊圖案球陣列製作條件-平行板夾法 46 圖目錄 圖1.1 零維至三維奈米結構示意圖 2 圖1.2奈米球微影術示意圖 5 圖1.3 N.D.Denkov等人實驗架構 7 圖1.4側邊毛細作用力示意圖 7 圖1.5 Water flux作用力示意圖 7 圖1.6 Convective Self Assembly 儀器架設 9 圖1.7利用液相-氣相側邊毛細力排列原理的儀器架構 10 圖1.8兩種常見的表面電漿機制 12 圖1.9不同幾何比對應表面電漿共振波長位移關係圖 12 圖1.10外加覆蓋物質對於共振波長位移趨勢圖 13 圖1.11兩顆金屬粒子彼此間距離與共振波長位置變化模擬關係圖 14 圖1.12 Capping Method儀器架設參考圖 15 圖2.1簡單UV/Ozone 清潔過程示意圖 18 圖2.2親水性接觸角定義 18 圖2.3 UV-Clean於親水性改善實驗結果圖 19 圖2.4三角形夾法示意圖 21 圖2.5三角形夾法封裝方式示意圖 21 圖2.6平行板夾法示意圖 22 圖2.7平行板封裝方式示意圖 23 圖3.1 Drop Method實驗結果巨觀圖 28 圖3.2 Drop Method 實驗結果圖(光學倍率500x) 28 圖3.3 三角形結構局部溶液粒子密度推算示意圖 32 圖3.4 三角形夾法實驗結果粒子排列巨觀圖 37 圖3.5 0.7μm球徑在不同k值下，排列狀況圖(光學倍率1000x) 41 圖3.6 1.6μm球陣列圖 45 圖3.7 特殊圖案基板捕抓粒子機制示意圖 47 圖3.8 光罩設計圖 48 圖3.9 1.6μm特殊圖案球陣列排列圖(光學倍率200x) 49 圖3.10 1.6μm特殊圖案球陣列排列圖(光學倍率500x) 50 圖4.1 1.6μm球陣列製作的金屬薄膜AFM圖 53 圖4.2 Mie Theory 計算出金銀鋁粒子的extinction頻譜圖 54 圖4.3 1.6μm陣列製作出不同金屬膜的穿透率光譜圖 57 圖4.4 1.6μm陣列製作出不同金屬膜的吸收光譜 57 圖4.5 0.7μm陣列製作出不同金屬膜的穿透率光譜圖 58 圖4.6 0.7μm陣列製作出不同金屬膜的吸收光譜 58 圖4.7 各種尺寸的銀金屬膜吸收光譜 59 圖4.8 各種尺寸的金金屬膜吸收光譜圖 60 圖4.9 各種尺寸的鋁金屬膜吸收光譜圖 61 圖4.10 0.7μm銀膜鍍上SiO2介電層之光譜圖 63 圖4.11 1.6μm銀膜鍍上SiO2介電層之光譜圖 64 公式附錄 式2-1 溶液粒子密度η計算公式 16 式2-2 甲醇與水溶液體積比K的定義 26 式2-3 原微米球水溶液加水稀釋係數γ的定義 26 式2-4 球體積比稀釋係數R的定義式 26 式2-5 溶液粒子密度η與R之間的換算式 26 式3-1 A面積上含有的單層排列奈米球數目N的定義式 30 式3-2 溶液粒子密度η的基本定義式 30 式3-3 平行板夾法結構所需溶液粒子密度 公式 30 式3-4 三角形夾法結構所需溶液粒子密度 公式 31 式3-5 三角形結構局部面積dA所需的粒子數目dN 32 式3-6 三角形結構局部位置的溶液粒子密度 公式 32 式4-1 Mie Theory推導出的奈米金屬粒子extinction 公式 53 式4-2 歸一化穿透率(Normalized Transmittance)轉換公式 55 式4-3 吸收率(Absorbance)轉換公式 55

    [1]柯賢文; 表面與薄膜處理技術,全華科技圖書股份有限公司
    [2]Guozhong Cao; Nanostructures & Nanomaterials
    [3]施敏; Semiconductor Devices Physics and Technology
    (2nd Edition)
    [4] N. D. Denkov, O. D. Velev, P. A. Kralchevsky, I. B. Ivanov,
    H.Yoshimura and K. Nagayama; Langmuir 1992, 8, 3183-3190
    [5] R. Micheletto," H. Fukuda, and M. Ohtsu; Langmuir 1995,
    11, 3333-3336
    [6]Takashi YAMASAKI,and Tetsuo TSUTSUI; Jpn. J. Appl. Phys.
    Vol.38(1999)pp. 5916-5921 Part 1, No. 10,October 1999
    [7] Yadong Yin, Yu Lu, Byron Gates, and Younan Xia; J. Am. Chem.
    Soc. 2001, 123, 8718-8729
    [8] Yadong Yin, Yu Lu, and Younan Xia; J. Am. Chem. Soc. 2001,
    123, 771-772
    [9] Sachiko Matsushita, Tetsuya Miwa, and Akira
    Fujishima ;Langmuir 1997, 13, 2582-2584
    [10] Antony S. Dimitrov and Kuniaki Nagayama; Langmuir 1996,
    12, 1303-1311
    [11] J. Rybczynski, U. Ebels; Colloids and Surfaces A:
    Physicochem. Eng. Aspects 219 (2003) 1-6
    [12] Younan Xia and Naomi J. Halas, Guest; Shape-Controlled
    Synthesis and Surface Plasmonic Properties of Metallic
    Nanostructures; MRS BULLETIN VOLUME 30 MAY 2005
    [13] Amanda J. Haes, Christy L.Haynes, Adam D.McFarland, George C. Schatz,Richard P.Van Duyne, and Shengli Zou; Plasmonic Materials for Surface-Enhanced Sensing and Spectroscopy; MRS BULLETIN VOLUME 30 MAY 2005
    [14] John R. Vig; J. Vac. Sci. Technol. A, Vol.3, No.3, 1985
    [15] Christy L. Haynes and Richard P. Van Duyne; J. Phys. Chem.
    B 2001, 105, 5599-5611
    [16] Weber, Marvin J. 1932-; Handbook of Optical Materials
    (2003)

    下載圖示 校內：2007-08-09公開
    校外：2007-08-09公開
    QR CODE