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研究生: 陳廣修
Chen, Hsiu-Kuang
論文名稱: 二氧化矽/銀核殼形結構之合成與其表面電漿子共振效應研究
Synthesis of SiO2/Ag core-shell structure : Surface Plasmon Resonance Effect
指導教授: 施漢章
Shih, Han C.
葉均蔚
Yeh, Jien-Wei
口試委員: 施漢章
葉均蔚
劉家銘
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 76
中文關鍵詞: 核殼表面電漿共振光學二氧化矽
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  • 本實驗利用表面修飾法(surface decorated method)與種子成長法(seed-mediated growth technique) 在適當的氫氧化鈉NaOH參數下,成功合成出兩種不同形貌的核殼形結構:(1) 粒徑大且獨立性佳的銀顆粒(isolated particles)披覆在二氧化矽微球上;(2) 粒徑小且均勻的銀殼 (incompleted shell)披覆在二氧化矽微球上。
      利用場發射掃描式電子顯微鏡(FESEM)與穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察其表面形貌,數據分析其銀之粒徑大小與披覆密度。高解析穿透電子顯微鏡(HRTEM) & X光繞射分析儀(XRD)鑑定銀成長晶面,確認銀成功披覆在二氧化矽微球上;並透過X光電子能譜儀(XPS)鑑定銀與二氧化矽載體間具有特殊的binding energy化學位移,證實銀披覆在二氧化矽微球上後,電子由銀轉移至矽與氧,進一步確定銀在二氧化矽的界面為化學鍵結
      不同形貌的二氧化矽/銀核殼形結構,呈現多樣的光學特性,研究其表面電漿子的共振(SPR)理論,利用紫外-可見光光吸收實驗(UV-Vis spectrum),觀察其表面電漿共振吸收峰,獨立性佳的銀顆粒隨著粒徑變大,SPR吸收峰紅移;均勻性佳的銀殼隨著銀殼的變厚而藍移,兩者呈現完全不同的光學特性。運用Mie theory與電偶極耦合(dipolar coupling) 效應等理論,成功的將核殼形結構之表面形貌與其特殊的光學特性做結合。
      在適當的核殼參數下,模擬出兩種模型(1) 銀顆粒,改變其粒徑與披覆密度參數;(2) 銀殼,改變厚度參數,兩種型態的核殼形結構,與其個別的光學模擬,與實驗有相當大程度的一致性。


    Abstract
    The SiO2/Ag core-shell structure is synthesized via surface decorated method and seed-mediated technique. The morphology of silver layers on silica spheres can be accurately controlled by adjusting the quantity of NaOH. The two different structures are (1) larger and isolated silver particles on the silica spheres; (2) ultrafine and uniform silver nanoparticles on the silica spheres.
    The morphology of the core-shell structure was observed by scanning electronic microscopy (SEM) and transmission electronic microscopy (TEM). Use HR-TEM and X-ray diffraction pattern (XRD) to identify the crystal plane of silver particles. Furthermore, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) experiment exhibits the chemical shift of binding energy. The results indicated the electrons were transferred from Ag particles to SiO2 confirming the chemical absorption between the silver particles and silica spheres.
    The surface plasmon resonance (SPR) peak depended on the morphology of SiO2/Ag core-shell structure and was observed by ultraviolet / visible spectroscopy (UV-Vis) and TEM.
    The Mie scattering theory and the dipolar coupling effect of neighboring silver particles as a whole may serve as the mechanism of optical properties. Furthermore, the observed SPR band could be tailored as expected by the modeling of optical properties. By adjusting appropriate parameters: (1) various size and coating density of silver particles; (2) various thickness of silver shell, a core-shell structure models and optical modes corresponding to the experimental results can be designed.

    目錄 摘要 I Abstract III 致謝 V 目錄 VII 圖目錄 X 表目錄 XIV 第一章 序論 1 第二章 文獻回顧 4 2.1 二氧化矽微粒 4 2.2 奈米銀 6 2.2.1 奈米銀的光學性質Surface Plasmon Resonance 7 2.3 核殼結構 10 2.4 核殼型複合粒子合成方法 11 2.4.1 高分子逐層自組裝技術 12 2.4.2 表面修飾 13 2.4.3 溶膠凝膠法 16 2.5 核殼形結構光學性質 18 2.6 核殼形結構光學模擬 23 第三章 實驗方法 3.1 藥品 27 3.2 實驗設備 27 3.3 實驗架構 28 3.4 製備單一粒徑且分散性佳之二氧化矽微球 29 3.5 製備二氧化矽/銀之核殼形結構 29 3.6 核殼形結構光學分析 32 3.7 核殼形結構光學模擬 33 3.8 分析設備 35 3.8.1 場發射掃描式電子顯微鏡(Field-Emission Scanning Electron Microscope) 35 3.8.2 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscpoe) 36 3.8.3 X光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 37 3.8.4 X光繞射分析儀 (X-ray diffraction) 38 3.8.5 紫外-可見光光譜儀 (Ultraviolet and Visible Spectroscopy) 38 第四章 結果與討論 40 4.1 合成單一粒徑的二氧化矽微球 40 4.2 二氧化矽/銀核殼形結構之表面形貌 41 4.3 二氧化矽/銀核殼形結構之元素分析 43 4.4 二氧化矽/銀核殼形結構-銀顆粒 48 4.4.1 二氧化矽/銀核殼形結構之光學分析-銀顆粒 50 4.4.2 二氧化矽/銀核殼形結構之光學模擬-銀顆粒 53 4.5 二氧化矽/銀核殼形結構-銀殼 54 4.5.1二氧化矽/銀核殼形結構之光學分析-銀殼 57 4.5.2 二氧化矽/銀核殼形結構之光學模擬-銀殼 60 4.6 實驗參數與其相對應的曲線圖 61 4.7 二氧化矽/銀核殼形結構之溶液顏色 64 第五章 結論 65 第六章 未來展望 68 第七章 參考文獻 70 圖目錄 圖 2-1 單一粒徑二氧化矽微球之SEM影像 5 圖 2-2 (a) 奈米銀溶液之UV-Vis吸收光譜圖. (Inset)銀顏色變化 (b) 奈米金溶液在不同尺寸下的紫外可見光吸收光譜(UV-Vis) 7 圖 2-3 二氧化矽/銀核殼形結構合成機制-高分子逐層自組裝技術 12 圖 2-4 二氧化矽/銀核殼形結構合成機制-種子成長法 13 圖 2-5 二氧化矽/銀核殼形結構TEM影像 (a)-(d) 銀殼層形貌變化 13 圖 2-6 二氧化矽/銀之核殼結構的X光繞射圖 14 圖 2-7 二氧化矽/銀核殼形結構合成機制-表面修飾法 15 圖 2-8 二氧化矽/銀核殼形結構合成機制-溶膠凝膠法 16 圖 2-9 二氧化矽/銀核殼形結構TEM影像 16 圖 2-10 二氧化矽/銀核殼形結構合成機制-溶膠凝膠法 17 圖 2-11 二氧化矽/銀不同形貌之核殼形結構TEM影像 18 圖 2-12 二氧化矽/金核殼結構UV-Vis吸收光譜圖 18 圖 2-13 核殼形結構UV-Vis吸收光譜圖 19 圖 2-14 金屬奈米粒子電偶極耦合示意圖 20 圖 2-15 二氧化矽/銀核殼形結構TEM影像 (a)單純二氧化矽微球 (b)~(j) 不同形貌的銀披覆二氧化矽微球上 21 圖 2-16 二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis吸收光譜圖 22 圖 2-17 二氧化矽/銀核殼形結構TEM影像 (a)~(h)銀顆粒 (i)銀殼 23 圖 2-18 二氧化矽/金核殼結構UV-Vis吸收光譜圖 23 圖 2-19 光學模擬:二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis吸收光譜圖 25 圖 2-20 光學模擬:二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis吸收光譜圖(a)(b)完全性銀殼;(c)(d)與最密堆積銀顆粒 Insets:2D核殼結構示意圖。 26 圖 3-1 (a)加熱板 (b)抽氣過濾裝置 (c)離心機 27 圖 3-2 實驗流程圖 28 圖 3-3 合成二氧化矽微球參數示意圖 29 圖 3-4 二氧化矽/銀核殼形結構合成機制-表面修飾法 31 圖 3-5 二氧化矽/銀核殼形結構實驗流程示意圖-種子成長法 32 圖 3-6 光學模擬(a) 銀顆粒;(b) 銀殼 34 圖 3-7 場發射掃描式電子顯微鏡 35 圖 3-8 高解析穿透式電子顯微鏡 36 圖 3-9 X光光電子能譜儀 37 圖 3-10 X光繞射分析儀 38 圖 3-11 紫外-可見光光譜儀 39 圖 4-1 單一粒徑二氧化矽微球SEM影像 40 圖 4-2 二氧化矽微球之X光光電子能譜圖 40 圖 4-3 二氧化矽/銀核殼形結構TEM影像 (a)單純二氧化矽微球 (b) 二氧化矽/銀核殼形結構 41 圖 4-4 二氧化矽/銀核殼形結構 (a)SEM影像 (b)TEM影像 42 圖 4-5 二氧化矽/銀核殼形結構 (a)SEM影像 (b)TEM影像 42 圖 4-6 二氧化矽/銀核殼形結構 (a) HRTEM (b) X光繞射分析圖 44 圖 4-7 JCPDS圖之銀結構 44 圖 4-8 Mapping影像 (a)銀元素 (b)矽元素 (c)氧元素 45 圖 4-9 二氧化矽/銀核殼形結構之X光光電子能譜圖 (a)全能譜圖 (b)矽(c)氧 (d)銀 46 圖 4-10 二氧化矽/銀核殼形結構與二氧化矽之X光光電子能譜圖變化(a)矽 (b)氧 47 圖 4-11 二氧化矽/銀核殼形結構-銀顆粒 49 圖 4-12 二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis吸收光譜圖-銀顆粒 51 圖 4-13 光學模擬:二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis吸收光譜圖-銀顆粒 54 圖 4-14 二氧化矽/銀核殼形結構-銀殼 56 圖 4-15 二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis吸收光譜圖-銀殼 59 圖 4-16 光學模擬:二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis吸收光譜圖-銀殼 60 圖 4-17 光學模擬數據分析:二氧化矽/銀核殼結構UV-Vis 吸收峰曲線 -銀殼 61 圖 4-18 曲線圖:銀接枝率/pH值 62 圖 4-19 曲線圖:銀粒徑/pH值 63 圖 4-20 曲線圖:銀披覆密度/pH值 63 圖 4-21 互補色 64 圖 4-22 二氧化矽/銀核殼形結構之溶液顏色 65 圖 4-23 二氧化矽/銀核殼形結構之UV-Vis光譜 65 表目錄 表3-1 NaOH參數對照其pH值 29 表 4-1 NaOH參數對應其表面結構-銀顆粒 50 表 4-2 NaOH參數對應其SPR吸收峰位置-銀顆粒 53 表 4-3 NaOH參數對應其表面結構-銀殼 57 表 4-4 NaOH參數對應其SPR吸收峰位置-銀殼 59

    第七章 參考文獻
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