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研究生： 莊尚餘
Shuang-Yu Chuang
論文名稱： 金奈米粒子及奈米壓印金屬在表面電漿元件上之應用
Gold nanoparticles and nanoimprinted metallic structures for surface plasmonic device applications
指導教授： 朱鐵吉
Dr. Tieh-Chi Chu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 274
中文關鍵詞： 金奈米粒子 、表面電漿共振 、奈米壓印微影 、光學特性
外文關鍵詞： Gold nanoparticles, Surface plasmons resonance, Nanoimprint lithography, Optical constant
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    • 在本篇論文中有三個研究的主題，分別為：金奈米粒子光學特性研究，利用金奈米粒子增強表面電漿共振生物感測器之研究，奈米壓印金屬技術研究以及將金奈米壓印金屬技術在光學元件上之應用。
    　　在金奈米粒子光學特性研究方面，利用全波段變角度橢圓儀(Varing angle spectroscopic ellipsoometer, VASE)量測不同粒徑、不同分布密度與不同合成方式金奈米粒子的橢圓參數，並利用擬合出金奈米粒子的光學係數，以期得知金在奈米尺寸與塊狀金的光學係數變化原因。在金奈米粒子增強表面電將生物感測器方面，研究不同粒徑、不同分佈密度及不同接著面積的金奈米粒子對於表面電漿共振生物感測器(Surface plasmons resonance bioseneor)的靈敏度增幅影響。
    在奈米壓印金屬技術(Nanoimprint in metal film, NIM)方面，我們成功的研發能夠以較低壓力直接定義金屬膜圖形的奈米壓印金屬技術。並對壓印製程的壓印溫度、壓印壓力、壓印速度、壓印金屬膜種類、模板形狀、高分子軟墊種類、模板線寬週期比、模板深寬比以及軟硬烤的製程條件做詳細探討，且應用在奈米壓印金屬技術各種光學元件上，如：反射式偏振片及閃耀光柵(Blazed garting)。而在結合表面電漿生物感測器元件上，利用不同週期不同深淺的金屬光柵結合稜鏡，能夠控制表面電漿共振角的位置。

    There are three parts in this thesis, including optical constants of gold nanoparticles, the enhanced sensitivity of surface plasmons resonance biosensor by nanoparticles, nanoimprint techniques for patterning metallic structures and their applications.
    The purpose of studying the optical constants of gold nanoparticles is to find out the reason of optical constants changes as the bulk gold films transferring to nanoparticles. We measured the ellipsometric parameters of gold nanoparticles with different particle-size, particle-density, and reduction methods by using varing angle spectroscopic ellipsoometer (VASE), and then fitted the optical constants of various gold nanoparticles. In the particles enhance the sensitivity of surface plasmons resonance biosensor, the sensitivity enhancement effects of different particle-size, particle-density and contact-area of gold nanoparticles were analyzed.
    For the nanoimprint techniques for patterning metallic structures, we successfully develop the technology of directly imprint the metal surface with low-pressure. The effects of various imprinting conditions were investigated. Optical devices such as polarizer and blazed grating were demonstrated. Combining with patterned metal structures and surface plasmonic devices, we can use the gratings with different period and amplitude to control the position of surface plasmonon resonance angle.

    摘要------------------------------------------------------1 謝誌------------------------------------------------------3 目錄------------------------------------------------------4 圖目錄----------------------------------------------------6 表目錄---------------------------------------------------19 第一章 緒論----------------------------------------------23 1.1 奈米科技簡介-----------------------------------------23 1.2 金奈米粒子基礎光學特性之研究-------------------------23 1.3 探討利用金奈米粒子增強表面電漿共振之生物感測器-------24 1.4 奈米壓印金屬技術-------------------------------------25 1-5奈米壓印金屬技術在SPR生物感測器與其他光學元件上之應用-25 1-6 論文架構---------------------------------------------26 第二章 文獻回顧與基礎理論--------------------------------28 2.1 奈米粒子的特性與製備---------------------------------28 2.1.1奈米粒子簡介----------------------------------------28 2.1.2奈米粒子製備技術------------------------------------28 2.1.3奈米粒子自組裝技術----------------------------------32 2.1.4 金奈米粒子的光學特性-------------------------------33 2.2橢圓儀量測與分析方法----------------------------------35 2.2.1 橢圓儀基礎理論-------------------------------------35 2.2.2 多層光學薄膜理論-----------------------------------42 2.3表面電漿共振與其生物感測器之應用----------------------43 2.3.1 表面電漿共振基礎理論-------------------------------43 2.3.2 表面電漿共振應用至生物感測器上---------------------44 2.3.2利用金屬粒子增強SPR生物感測器之靈敏度---------------45 2.4 奈米壓印技術簡介-------------------------------------49 第三章 金奈米粒子基礎光學特性之研究----------------------51 3.1 研究動機與目的---------------------------------------51 3.2 實驗方法---------------------------------------------53 3.2.1實驗材料--------------------------------------------53 3.2.2 實驗步驟-------------------------------------------55 3.3 化學合成方式下金奈米粒子之光學特性探討---------------58 3.3.1不同化學合成方式之金奈米粒子的光學特性比較----------58 3.3.2不同粒徑之金奈米粒子的光學特性比較------------------67 3.3.3不同分布密度之金奈米粒子的光學特性比較--------------77 3.4非化學合成方式下金奈米粒子之光學特性-----------------101 3.4.1 高溫退火製備金奈米粒子與其光學特性----------------101 3.4.2化學合成金奈米粒子VS高溫退火金奈米粒子-------------113 3.5 非破壞性即時監控金奈米粒子成膜細況------------------118 3.5.1監控成長金奈米粒子的飽和密度與粒子數---------------118 3.5.2監控成長金奈米粒子是否聚集-------------------------120 3.5.3利用橢圓測厚儀監控金奈米粒子總結-------------------122 3.6 金奈米粒子光學特性總結------------------------------124 第四章 探討利用金奈米粒子增強表面電漿共振之生物感測器---127 4.1 研究動機與目的--------------------------------------127 4.2 實驗方法--------------------------------------------128 4.2.1實驗材料-------------------------------------------128 4.2.2實驗步驟-------------------------------------------130 4.3自組裝不同條件金奈米粒子與其影響靈敏度研究-----------133 4.3.1不同粒徑金奈米粒子對SPR檢測靈敏度影響--------------134 4.3.2不同分布密度金奈米粒子對SPR檢測靈敏度影響----------142 4.4 SPR生物感測器表面積因子與靈敏度之關係---------------154 4.4.1 SPR樣本製程變更與光學量測系統比較-----------------154 4.4.2 利用聚集金奈米粒子增加表面積對檢測靈敏度影響------162 4.5 金奈米粒子增幅SPR生物感測器靈敏度總結---------------174 第五章 奈米壓印金屬技術---------------------------------176 5.1 研究動機與目的--------------------------------------176 5.2 實驗方法--------------------------------------------177 5.2.1實驗材料-------------------------------------------177 5.2.2實驗步驟-------------------------------------------179 5.3 奈米壓印模板製作技術--------------------------------183 5.3.1 利用ECR製作各種形狀尖形模板-----------------------183 5.3.2 利用自行衍生法製作三角形模板----------------------192 5.3.3 奈米壓印模板製作總結------------------------------195 5.4 奈米壓印金屬技術與製程探討--------------------------196 5.4.1 氣壓式奈米壓印金屬--------------------------------196 5.4.2氣壓式與油壓式奈米壓印金屬膜技術比較---------------215 5.4.3 探討更換高分子材質--------------------------------222 5.4.4探討不同製程溫度-----------------------------------225 5.4.5探討壓印壓力、壓印速度對壓印圖形的影響-------------228 5.4.6 探討不同模版週期與模板深寬比的影響----------------233 5.4.7 探討壓印不同金屬膜--------------------------------241 5.4.8模板重複壓印次數與製程軟硬烤探討-------------------244 5.5奈米壓印金屬總結-------------------------------------247 第六章 奈米金屬壓印技術在SPR感測器與其他光學元件上之應用-250 6.1 研究動機與目的--------------------------------------250 6.2 實驗方法--------------------------------------------251 6.2.1實驗材料-------------------------------------------251 6.3奈米壓印金屬技術結合SPR光學元件應用------------------252 6.3.1 奈米壓印金屬在BK7底材上---------------------------252 6.3.2 壓印不同週期光柵狀金膜與SPR量測結果---------------254 6.3.3 壓印不同方向金屬光柵與SPR量測結果-----------------260 6.3.4 壓印不同深淺金屬光柵與SPR量測結果-----------------263 6.4奈米壓印金屬技術結合SPR光學元件應用結論--------------265 第七章 結論---------------------------------------------268 7.1 實驗結論--------------------------------------------268 7.2 未來展望--------------------------------------------269 參考文獻------------------------------------------------270

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