以石英微天平研究鐵鉑奈米顆粒在氨基自組裝分子基板上的吸附量

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研究生：	陳宣丞
論文名稱：	以石英微天平研究鐵鉑奈米顆粒在氨基自組裝分子基板上的吸附量 Study the adsorption of FePt nanoparticles on the amino- functional substrates with quartz crystal microbalance
指導教授：	李志浩
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 工程與系統科學系 Department of Engineering and System Science
論文出版年：	2006
畢業學年度：	94
語文別：	中文
論文頁數：	87
中文關鍵詞：	自我排列單分子層、石英微天平
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FePt 奈米顆粒具有高磁晶異相性能，而且能降低紀錄雜訊，因此可以用來製作超高密度磁記錄媒體，而在實際商業上應用時，如何創造FePt 奈米顆粒大面積長程有序的排列即是一項很重要的研究課題，本實驗主要是想利用自組裝的方式長成不同碳鏈長度的氨基官能基基板，來研究FePt 奈米顆粒在上面的吸附量，並且希望能夠增加FePt 奈米顆粒的披覆率。

實驗中以兩種不同的方式製成氨基基板，第一種是直接以一端為硫原子，另一端為氨基官能基的分子，直接在Au基板上以自組裝的方法製成，所用藥品為cystamine dihydrochloride。第二種是先以dodecanethiol在Au基板以自組裝方式長成單分子層，再藉由凡得瓦力將氨基官能基接在長成的dodecanethiol單分子層上，以形成帶有氨基官能基的基板，使用藥品為dodecanethiol、dodecylamine和octadecylamine。最後再以石英微天平和拉塞福背向散射儀量測FePt奈米顆粒在不同碳鏈長度氨基基板上的吸附量，並且利用原子力顯微鏡觀察所長成氨基基板的粗糙度，來了解FePt 奈米顆粒的吸附量和氨基基板平整度之間的關係。
從實驗結果中可以發現cystamine dihydrochloride基板對於FePt 奈米顆粒的吸附量則是最少的，主要原因是因為cystamine dihydrochloride的碳鏈分子比較短，其分子間的作用力比較弱的關係。而另一個可能的原因是cystamine dihydrochloride在成膜時，並不是形成單分子層，而是有多層堆疊的現象產生，使得cystamine dihydrochloride基板最不平整，這點可以從原子力顯微鏡圖形中得到驗證。而FePt 奈米顆粒在dodecylamine基板上的披覆率是最多的，約為38 ﹪- 58 ﹪之間，但是跟APTS 基板的68 ﹪比較起來仍有一段差距，若是想要增加其披覆率，可以藉著增加自組裝時的反應溫度，來早日達到可以實際應用的目標。

FePt is an important material in magnetic application because of its large uniaxial magneto crystalline anisotropy (Ku >7x10[6] J/m[3]) and good chemical stability. To use on the real hard disk product, a long-term and ordered arrangement of nanoparticles is a requisite goal. We use self-assembled amino-functional substrates to adsorb FePt nanoparticles, and try to increase the coverage of the nanoparticles.
We prepare three different chain length amino-functional substrates, cystamine dihydrochloried, dodecylamine, and octadecylamine. We Study the adsorption of FePt nanoparticles on the amino-functional substrates with quartz crystal microbalance and Rutherford backscattering spectrometry. And we use atomic force microscope to measure the roughness of the amino-functional substrates.

We find that cystamine dihydrochloride substrate has the lowest adsorption of FePt nanoparticles, it may due to the weak intermolecular interactions between short alkyl-chains, so it is difficult to form two dimensional monolayer. Another reason is that cystamine dihydrochloride dose not form monolayer, therefore we find it has the largest roughness. Dodecylamine has the maximum adsorption of FePt nanoparticles, and the coverage is about 38% to 58%. Compared with the coverage 68% of APTS, it still has some effort to do. To increase the coverage of FePt nanopartiles, we can increase the reaction temperature when the self-assembled monolayer grew up.

目錄

第一章  序論
1-1 前言    1
1-2 磁記錄媒體的發展與限制    1
1-3 研究動機    2

第二章  文獻回顧
2-1 磁性奈米顆粒的特性    3
2-2 磁性奈米顆粒的應用    4
2-3 磁性奈米顆粒在磁紀錄方面的應用    5
   2-3-1  傳統磁記錄媒體所面臨的問題    5
   2-3-2  自組裝磁性奈米顆粒媒體的前景與挑戰    7

第三章  理論基礎
3-1 自我排列單分子層 (Self-Assembled Monolayers)    9
   3-1-1  基本介紹    9
   3-1-2  SAMs 成膜系統    10
   3-1-3  SAMs 的組成結構    11
   3-1-4  SAMs 成膜過程    13
3-2 石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance)    14
   3-2-1  基本介紹    14
   3-2-2  石英晶體的特性    15
   3-2-3  QCM 原理    17
   3-2-4  QCM 偵測之理論模式建立    18
   3-2-5  Sauerbrey Equation 之推導    20
   3-2-6  QCM 在溶液中的頻率修正式    23
   3-2-7  QCM 吸附質量增大時，對
Sauerbrey Equation 的修正式    27
3-3 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy)    30
   3-3-1  基本原理    30
   3-3-2  AFM 操作模式    31
3-4 拉塞福背向散射分析技術    34
   3-4-1  前言    34
   3-4-2  實驗裝置及原理    34

第四章     實驗與討論
4-1 實驗    37
   4-1-1  實驗試藥    37
   4-1-2  實驗儀器    40
   4-1-3  實驗前之準備    41
   4-1-4  實驗步驟    44
4-2 實驗結果    47
   4-2-1  QCM 數據及分析    47
   4-2-2  RBS 數據及分析    60
   4-2-3  AFM 圖形    68

第五章  結論    75

參考文獻    77

附錄    80

參考文獻(附錄)    87



圖目錄

圖 2.1   磁性晶粒間的交互作用力與磁矩翻轉區之示意圖    6
圖 3.1   SAMs基本結構示意圖    12
圖 3.2   SAMs 成膜過程示意圖    13
圖 3.3   石英晶體的軸系    16
圖 3.4   石英晶體切割方式    16
圖 3.5   石英晶體切割方式與溫度關係圖    17
圖 3.6   石英晶體在交流電場中，受電場影響的震盪示意圖    18
圖 3.7   簡單之QCM振盪模式    19
圖 3.8   石英晶體形成駐波的示意圖    20
圖 3.9   用來分析推導之座標系統圖    23
圖 3.10   波在石英以及沉積物質內的震盪圖    27
圖 3.11  為(3.32)式對不同Z值所作的圖    29
圖 3.12  探針/樣品間作用力與距離的關係    31
圖 3.13  三種AFM 掃描模式    33
圖 3.14  RBS實驗裝置示意圖    35
圖 4.1   FePt奈米顆粒製備示意圖    39
圖 4.2   QCM儀器圖    40
圖 4.3   QCM在液體環境中量測的儀器架設圖    42
圖 4.4   QCM在水中減少頻率對時間的示意圖    42
圖 4.5   QCM在酒精溶液中減少頻率對時間的示意圖    43
圖 4.6   QCM在不同濃度酒精中的頻率改變圖    44
圖 4.7   cystamine dihydrochloride在Au上長成單分子層示意圖    45
圖 4.8   FePt 奈米顆粒吸附在cystamine dihydrochloride基板示意圖......    45
圖 4.9   dodecanethiol在Au上長成單分子層示意圖    46
圖 4.10  Amino-groups吸附在dodecanethiol上示意圖    46
圖 4.11  FePt 奈米顆粒吸附在氨基基板示意圖    46
圖 4.12  QCM在cystamine dihydrochloride中的頻率改變圖(1)    47
圖 4.13  QCM在cystamine dihydrochloride中的頻率改變圖(2)    48
圖 4.14  QCM在dodecanethiol中的頻率改變圖    49
圖 4.15  QCM在dodecylamine中的頻率改變圖    50
圖 4.16  QCM在octadecylamine中的頻率改變圖    50
圖 4.17  硫原子以 的方式排列在Au的表面，空圈表示  Au原子，有陰影的部份則表示硫原子的位置....    53
圖 4.18  cystamine dihydrochloride基板吸附FePt奈米顆粒頻率改變圖    54
圖 4.19  cystamine dihydrochloride基板吸附FePt奈米顆粒質量改變圖    54
圖 4.20  dodecylamine基板吸附FePt奈米顆粒頻率改變圖    55
圖 4.21  dodecylamine基板吸附FePt奈米顆粒質量改變圖    55
圖 4.22  octadecylamine基板吸附FePt奈米顆粒頻率改變圖    56
圖 4.23  octadecylamine基板吸附FePt奈米顆粒質量改變圖    56
圖 4.24  FePt奈米顆粒XRD圖    57
圖 4.25  octadecylamine之RBS模擬圖    60
圖 4.26  FePt—octadecylamine之RBS模擬圖    61
圖 4.27  Au peak fitting 圖    61
圖 4.28  FePt—cystamine dihydrochloride實驗數據    62
圖 4.29  FePt—cystamine dihydrochloride實驗數據放大圖    62
圖 4.30  FePt—dodecylamine實驗數據    63
圖 4.31  FePt—dodecylamine實驗數據放大圖    63
圖 4.32  FePt—octadecylamine實驗數據    64
圖 4.33  FePt—octadecylamine實驗數據放大圖    64
圖 4.34  Au之AFM圖    68
圖 4.35  cystamine dihydrochloride在Au上的之AFM圖    69
圖 4.36  dodecanethiol在Au上之AFM圖    70
圖 4.37  dodecylamine在dodecanethiol上的AFM圖    71
圖 4.38  octadecylamine在dodecanethiol上之AFM圖    72
圖 4.39  FePt奈米顆粒在cystamine dihydrochloride上的AFM圖    73
圖 4.40  FePt奈米顆粒在dodecylamine上的AFM圖    73
圖 4.41  FePt奈米顆粒在octadecylamine上的AFM圖    74












表目錄

表 4.1  QCM在不同濃度酒精中的頻率改變    43
表 4.2  計算膜厚所用的分子層密度表    51
表 4.3  不同單分子層的膜厚比較表    51
表 4.4  固定分子鍵長時的各種分子密度表    52
表 4.5  不同單分子層排滿分子時的分子總質量表    53
表 4.6  不同氨基基板對FePt奈米顆粒的吸附量和披覆率表(QCM).....    59
表 4.7  不同氨基基板對FePt奈米顆粒的吸附量和披覆率表(RBS)......    66
表 4.8  不同儀器量測出FePt奈米顆粒的吸附量比較表    66
表 4.9  不同分子層的AFM圖比較表    72
表 4.10  FePt奈米顆粒在不同氨基基板上的粗糙度比較表    74

                                

參考文獻

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