空氣式超音波對SiO2粒子組裝的影響｜國立清華大學博碩士論文庫

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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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