以圓柱形介質共振腔量測鋅奈米微顆粒之介電常數

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研究生：	張凱程 Kai-Cheng Zhang
論文名稱：	以圓柱形介質共振腔量測鋅奈米微顆粒之介電常數 Dielectric constants measurement of zinc nanoparticles implemented with a dielectric rod cavity
指導教授：	呂助增 Juh-Tzeng Lue
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 光電工程研究所 Institute of Photonics Technologies
論文出版年：	2008
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	93
中文關鍵詞：	介質共振器、奈米金屬顆粒、介電常數
外文關鍵詞：	dielectric resonator, nanoparticles, dielectric constant
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以往對金屬物質介電常數的量測多在塊材或以薄膜的形式下測得其反射、吸收係數，求得折射率再推得金屬介電常數，但此法受限於要有精確之樣品厚度，但對於金屬奈米顆粒並不適用，故提出以介質共振腔法量測及混合介質的概念，進行金屬微顆粒從低頻(10k~10MHz)至微波頻段的介電常數測量，並探討不同金屬微粒尺寸大小對介電常數的影響。
而實驗中為避免大量金屬微顆粒對電磁波吸收而無法測量，故我們在製作量測樣品上將再包含氧化鋁粉末、石蠟二種介電質使微顆粒均勻分散並避免空氣與水汽的影響，因此增加量測的準確性。而鋅金屬微顆粒是以熱蒸鍍法製得，最後將樣品置入設計的共振腔以網路分析儀作微波頻段的共振頻率量測及以阻抗分析儀(LCR meter)作低頻量測，再利用電磁理論的分析、等效介電質理論與品質因子關係式，透過數學軟體 Mathematica 的輔助運算，可以得到鋅金屬微顆粒的介電常數。

1.透過電磁理論的推導得知共振頻率與介電常數有關聯，因此提出介質共振腔量測的方法量測金屬微顆粒粉末的介電常數。

2.為防止大量的金屬粉末對電磁波的吸收，故提出將金屬微顆粒粉末與其它高介電質材料混合的概念，以產生共振頻率間接量測金屬微顆粒介電常數。

3.利用以上的方法，再以熱蒸鍍法製造不同尺寸大小的奈米級金屬顆粒，探討金屬微顆粒尺寸對介電常數的關係。

摘要
致謝
目錄
第一章  序論
      1.1  金屬奈米顆粒介電常數                           1
      1.2  微波共振腔                                     1
      1.3  量測方法                                       2
第二章  奈米理論簡介
      2.1  表面效應                                       3
      2.2  量子尺寸效應                                   3
      2.3  金屬奈米顆粒之光學性質                         4
第三章  微波共振腔理論
      3.1  微波共振腔電磁場理論推導                       8
          3.1.1  TE 模態                                 14
          3.1.2  TM 模態                                 18
3.1.3  TM101 模態                                        21
      3.2 耦合天線                                       24
          3.2.1 耦合天線和電磁場的激發                   24
          3.2.2 耦合天線的種類                           24
      3.3  等效介質理論                                  27
          3.3.1  Effective Medium Theory , EMT           27
          3.3.2  Effective Medium Approximation , EMA    30
      3.4  電容值與等效介電常數                          32
      3.5  Q值的計算與虛部介電常數                       33
          3.5.1  Q值定義                                 33
          3.5.2   轉換成                                 34
          3.5.3   的求法                                 37
          3.5.4   和虛部介電常數                         38
第四章  實驗操作
      4.1  蒸鍍法製作金屬微顆粒                          40
          4.1.1  儀器介紹                                41
          4.1.2  蒸鍍操作流程                            43
       4.2  介電質樣品製作                               44
 4.3  微波共振腔構造                                     47
      4.4  網路分析儀                                    48
          4.4.1  基本原理                                48
          4.4.2  基本構造                                49
          4.4.3  S參數                                   51
          4.4.4  網路分析儀的校正                        52
          4.4.5  共振頻率的判別                          54
第五章  實驗結果與討論
      5.1  密度量測                                      56
       5.2  微波頻段下石蠟、氧化鋁介電常數量測結果       58
       5.3  鋅奈米微顆粒在微波頻段之介電常數實部         60
          5.3.1  鋅奈米微顆粒在10k~10M之介電常數實部     63
       5.4  鋅奈米微顆粒在微波頻段之介電常數虛部         65
          5.4.1  鋅奈米微顆粒在10k~10M之介電常數虛部     67
       5.5  鋅介電常數實部及虛部隨頻率變化之趨勢         69
       5.6  介電常數隨鋅奈米微顆粒尺寸變化之趨勢         70
結論                                                     73
參考資料                                                 74
附錄一  HFSS模擬微波共振腔                               76
附錄二  網路分析儀共振能譜                               80
附錄三  X-光繞射法求晶粒大小                             86
附錄四  AFM & SEM觀測                                    92

                                

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[15] 黃進芳，”微波工程”，(五南，2005)，P92

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全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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