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研究生： 董繼堯
Ji-Yao Dong
論文名稱： 空氣式超音波對SiO2粒子組裝的影響
Air-ultrasound effects of assembly of SiO2 spheres
指導教授： 汪上曉
David Shan-Hill Wong
呂世源
Shin-Yuan Lu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 62
中文關鍵詞： 矽 、音 、組
外文關鍵詞： silica, ultrasound, assembly
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    • 摘要

    近年來，光子晶體的特性逐漸受到矚目，這是因為光子的控制有了開端，以光子取代電子成為未來努力的目標，有許多先進原件是被預期的，例如：光子能隙光纖、積體光路、低耗能雷射…等，光子晶體可以說是一項具有革命性的科技，而這些基礎又在於光子晶體的製造，要製備光子晶體結構卻具有許多艱難，主要是因為這些結構尺寸在數百奈米左右，這樣小的尺度下要隨心所欲的建構各種構造實在是相當困難。

    我們以化學合成的方式合成粒徑308nm的SiO2粒子，將粒子分散在溶劑中，再用過濾的方式移去溶劑，試圖改進傳統以溶劑揮發方式的耗時缺點，過濾較揮發快的同時，粒子卻排列得較差，因此我們就引入空氣式超音波來改善粒子的排列。

    總目錄 摘要…………………………………………………………………………………….Ⅰ 總目錄………………………………………………………………………………….Ⅱ 圖目錄………………………………………………………………………………….Ⅳ 表目錄………………………………………………………………………………….Ⅶ 第一章 序論……………………………………………………………………………1 1.1 光子晶體簡介…………………………………………………………………….1 1.2 光子晶體的種類………………………………………………………………….4 1.3 光子晶體的製作方法…………………………………………………………….6 第二章 文獻回顧 與 研究動機………………………………………………………9 2.1自然沉降法(Sedimentation method)……………………………………………..9 2.2 高速離心法(Centrifugal method)………………………………………………..12 2.3 毛細吸引力法(Attractive capillary force)……………………………………….13 2.4 有限空間排列法(Physical confinement method)………………………………..17 2.5 電泳沉澱法(Eletrophoretic deposition method)………………………………...19 2.6 熱對流法(Heat convective flow method)………………………………………..21 2.7 電場可逆法(Electric field-reversible method)…………………………………..22 2.8 界面成長法(Growth at an interface)…………………………………………….24 2.9 研究動機…………………………………………………………………………26 2.10 超音波簡介……………………………………………………………………..27 第三章 研究方法……...………………………………………………………………29 3.1 實驗藥品…………………………………………………………………………29 3.2 實驗器材……………………………………………………………………….. 30 3.3 分析儀器與軟體…………………………………………………………………32 3.3.1 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)…………….……32 3.3.2 影像分析軟體…………………………..........................................................33 3.4 實驗…………………..…………………………………………………………..34 3.4.1 SiO2粒子的合成反應………………………………………………………..34 3.4.2 SiO2粒子的合成實驗步驟…………………………………………………..34 3.4.3 製備蛋白石結構所用的過濾槽……………………………………………..38 3.4.4 製備蛋白石結構的實驗步驟……………………………………………..…39 第四章 結果與討論…………………………………………………………….……..43 4.1 SiO2粒子的合成…………………………………………………………………43 4.1.1 308nm SiO2粒子的合成條件………………………………………………..43 4.1.2 SiO2粒子的平均粒徑與粒徑標準差………………………………………..44 4.2 濾紙數目與過濾時間的關係………………………………………………...….46 4.3 濾紙改質後對過濾時間的影響…………………………………………………48 4.4 掃描式電子顯微鏡(SEM)影像觀察…………………………………………….50 第五章 結論……………………………………………………………………...……56 參考文獻……………………………………………………………………………….57 附錄：A.蛋白石結構堆疊層數與堆疊厚度的估算………...……………………….59 圖目錄 圖1-1蛋白石結構的SEM影像……………………………………………………..…2 圖1-2光子波導式意圖…………………………………………………………………3 圖1-3以蝕刻方式製作60°彎曲波導的SEM影像……………………………….…..3 圖1-4一個光子晶體光纖截面 (核心直徑:7μm)……………………………………..5 圖1-5逆蛋白石結構的SEM影像………………………………………………….….6 圖1-6以奈米光蝕刻技術所製成二維光子晶體結構SEM影像………………..……7 圖1-7以奈米光蝕刻技術所製成的三維光子晶體結構………………...…………….7 圖 2-1自然沉降法之示意圖…………………………………………………………..10 圖 2-2 Vickreva et al所用的剪切力震盪法裝置示意圖……………...………………11 圖 2-3 Vickreva et al實驗結果的LCFM影像，深度：10μm (a)Γ=0 (b)Γ=16.4 (c)Γ=18.6(d) Γ=34.5, 比例尺:2μm.……………………….………..……………….11 圖 2-4 …Vickreva et al實驗結果的LCFM影像，Γ=21.2，深度：(a)0μm (b)40μm (c)80μm (d)100μm……..………………………………………….…………..12 圖 2-5 Wijnhoven and Vos實驗結果的SEM影像: TiO2的逆蛋白石結構……….…13 圖 2-6單層粒子系統之毛細吸引力示意圖…………………………………………..14 圖 2-7 Dimitrov et al的塗佈裝置(A)沾濕式塗佈(B)淋幕式塗佈………...………….15 圖 2-8 Dimitrov et al的實驗結果：500nm SiO2粒子(A)非晶相的(B)多晶相的(C) 反射光譜…………………………………………………………………………..….15 圖 2-9 Meng et al的實驗裝置示意圖……………………………………...………….16 圖 2-10 Meng et al實驗結果的SEM影像：大範圍的逆蛋白石結構…………..…..16 圖 2-11 Park et al的實驗裝置示意圖…………………………………...…………….17 圖 2-12 Park et al實驗結果的SEM影像(a)頂視圖(b)斜視圖(c)最上面25層的截面圖(d)最下面25層的截面圖…………………………..……………………...……18 圖 2-13 Holgado et al所使用的電泳槽…………………………………….………….20 圖 2-14 Holgado et al以粒徑870nm的SiO2粒子進行排列後的SEM影像與傅立葉轉換圖形……………………………….…………..………………………………20 圖 2-15熱對流法的實驗裝置示意圖……………………………………………..…..21 圖 2-16 Vlasov et al實驗結果的SEM影像………………………………….……….22 圖 2-17 Gong et al的實驗裝置示意圖…………………………………….………….23 圖 2-18 Gong et al將粒子排列後所得之影像(中央黑色區域為氣泡，比例尺: 100μm)……………………………………………………...……………..………..24 圖 2-19 PS 粒子在水面自組裝的示意圖………………………………………..……25 圖 2-20 (a)240nm PS 在90℃的烘箱中會在液面上自組裝(b)(c)粒子排列後上表面與斜視的SEM 影像(d) 穿透光譜……..…………………………………………….25 圖 3-1我們所使用的掃描式電子顯微鏡(JEOL JSM-5600)…………………………33 圖 3-2 SPI 鍍金機………………………………………………………………..…….33 圖 3-3合成SiO2粒子的反應裝置示意圖………………………………………...…..35 圖 3-4合成SiO2粒子的流程圖……………………………………………………….37 圖 3-5 0.2μm PC過濾膜的SEM影像……………………………………………….38 圖 3-6我們所使用濾紙的SEM影像…………………………………………...…….39 圖 3-7過濾槽示意圖……………………………………………………………….….39 圖 3-8過濾槽加上空氣式超音波的裝置示意圖……………………………..………40 圖 3-9製做蛋白石結構的流程圖……………………………………………….…….42 圖 4-1合成後的SiO2粉末外觀…………………………………………...…………..44 圖 4-2 Optimas 5.1的操作界面………………………………………………………..45 圖 4-3濾紙數目與過濾時間的關係圖…………………………………….………….46 圖 4-4添加塗佈PS的濾紙數對過濾時間的影響(水)…………………….…………49 圖 4-5添加塗佈PS的濾紙數對過濾時間的影響(SiO2懸浮液)………….…………49 圖 4-6 SEM影像：SiO2粒子在PC過濾膜上 (0張塗佈上PS的濾紙 + 8 張普通濾紙，未加入空氣式超音波，35X)………………………………..………...……..52 圖 4-7 SEM影像：SiO2粒子在PC過濾膜上 (0張塗佈上PS的濾紙 + 8 張普通濾紙，未加入空氣式超音波，5000X)…………………………………...…………52 圖 4-8 SEM影像：SiO2粒子在PC過濾膜上 (1張塗佈上PS的濾紙 + 8 張普通濾紙，未加入空氣式超音波)………………………………………………………..53 圖 4-9 SEM影像：SiO2粒子在PC過濾膜上 (2張塗佈上PS的濾紙 + 8 張普通濾紙，未加入空氣式超音波)……………………………………………………..…53 圖 4-10 SEM影像：SiO2粒子在PC過濾膜上 (1張塗佈上PS的濾紙 + 8 張普通濾紙，加入空氣式超音波：50V)…………………………………………..……….54 圖 4-11 SEM影像：SiO2粒子在PC過濾膜上 (2張塗佈上PS的濾紙 + 8 張普通濾紙，加入空氣式超音波：50V)………………………………………...…………54 圖 4-12 SEM影像：SiO2粒子在PC過濾膜上(以揮發方式來移去溶劑)…….……55 圖 A-1 SiO2粒子排列的單位晶格示意圖.……………………..……………………..61 表目錄 表 4-1合成308nm SiO2粒子的反應條件………………………….…………………44 表 4-2 SiO2粒子的粒徑分佈……………………………………………………..……45 表 4-3 SiO2粒子的平均粒徑與粒徑標準差……………………………..……………46

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