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研究生： 謝文儀
Wen Yi Shie
論文名稱： 金奈米顆粒在原子力顯微鏡探針之表面修飾研究
The Atomic Force Microscopy tip modified by the gold nanoparticle
指導教授： 曾繁根
Fang Gang Tseng
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： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 66
中文關鍵詞： 原子力顯微鏡 、奈米顆粒 、修飾
外文關鍵詞： AFM, nanoparticle, modify
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    • 本篇論文中，說明如何外加一偏壓使得原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)的探針尖端附著上少量的金奈米顆粒，達到提高AFM探針解析度以利後續AFM在生物檢測上的應用，包含量測奈米等級之生物分子型態、單一分子內之鍵結力量、分子與分子間之作用力量、單一活體細胞之奈米力學等等。此研究中是以物理性的方式來達到修飾AFM探針，藉由改變驅動電壓的大小、觸發方式以及施加偏壓的時間長短，控制附著在AFM探針尖端上的金奈米顆粒，並利用掃瞄式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）影像、X光光電子能譜儀（X-ray Photoelection Spectroscopy，XPS）分析及螢光影像（Hamamatsu）驗證金奈米顆粒附著在探針尖端。實驗結果顯示，對單一40nm金顆粒施加single voltage pulse 10mV~50mV、pulse width 1ms~100us；對單一13nm金顆粒施加single voltage pulse 25mV~50mV、pulse width 20~200ns時，可以使金奈米顆粒附著在AFM探針尖端。

    目錄 第1章 序論.................................................1 1-1 前言................................................1 1-2 研究目的............................................3 第2章 文獻回顧.............................................4 2-1 掃描穿遂式顯微鏡之場蒸鍍機制........................4 2-2 非接觸式AFM之奈米製程...............................7 2-3 AFM探針之修飾..................................... 11 2-3.1 物理性黏著法修飾...................................11 2-3.2 化學性修飾.........................................14 第3章 實驗原理與方法......................................16 3-1 實驗原理...........................................16 3-1.1 原子力顯微鏡原理...............................16 3-1.2 AFM主要結構...................................17 3-1.3 基本操作模式...................................19 3-1.4 基本成像原理...................................22 3-1.5 電流估算理論...................................25 3-2 實驗流程...........................................27 3-2.1 儀器設備.......................................27 3-2.2 試片製備.......................................29 3-3 實驗步驟...........................................30 第4章 實驗結果與討論......................................33 4-1 樣品表面為金薄膜...................................33 4-1.1 對金薄膜上施加偏壓.............................33 4-1.2 SEM拍攝針尖結果................................36 4-1.3 EDX.成分分析結果...............................37 4-2 樣品表面為40nm金顆粒...............................38 4-2.1 對40nm金顆粒施加偏壓...........................38 4-2.2 SEM拍攝針尖結果................................47 4-2.3 EDX成分分析結果 ...................................49 4-3 樣品表面為13nm金顆粒壓.............................50 4-3.1 13nm金顆粒在矽晶圓上施加偏壓...................50 4-3.2 SEM拍攝針尖結果（Manipulation）................53 4-3.3 SEM拍攝針尖結果（Force spectrum）..............55 4-4 XPS成分分析結果....................................56 4-5 螢光檢測分析.......................................57 4-6 鎳金屬測試.........................................60 4-7 討論...............................................62 第5章 結論................................................63 第6章 未來工作............................................64 第7章 參考文獻............................................65 圖目錄 圖 2-1 金薄膜修飾之STM探針在表面形成的金奈米結構陣列.......5 圖 2-2 金原子傳遞到樣品表面示意圖..........................6 圖 2-3 AFM探針黏著玻璃球之SEM影像..........................7 圖 2-4 場蒸鍍機制示意圖....................................8 圖 2-5 實驗架構...........................................10 圖 2-6不同電壓及不同脈衝電壓時間V.S沈積的尺寸.............10 圖 2-7 AFM探針黏著玻璃球之SEM影像.........................11 圖 2-8 AFM探針修飾示意圖..................................12 圖 2-9 AFM探針之剖面圖及SEM影像圖.........................13 圖 2-10 SPM探針修飾奈米顆粒示意圖.........................15 圖 2-11 SEM拍攝探針尖端圖.................................15 圖 3-1 原子力顯微鏡力曲線示意圖...........................18 圖 3-2 AFM結構示意圖......................................18 圖 3-3 接觸式與輕敲式掃描示意圖...........................21 圖 3-4 Lift mode操作示意圖................................21 圖 3-5 樣品表面的材質特性影響相位的變化...................24 圖 3-6 AFM探針尖端幾何形狀影響掃描得到的表面形貌..........24 圖 3-7 電流對時間曲線圖...................................26 圖 3 8 JPK NanoWizard AFM原子力顯微鏡機台.................28 圖 3-9 BS-Tap300Al探針的SEM影像...........................28 圖 3-10 金薄膜試片........................................29 圖 3-10 金奈米顆粒試片....................................29 圖 3-12 金薄膜施加電壓示意圖..............................31 圖 3-13 金奈米顆粒施加電壓示意圖..........................31 圖 3-14 實際操作圖及實驗用波形產生器......................32 圖 4-1 (a) AFM之金薄膜高度影像圖(b)施加偏壓方式...........34 圖 4-2 AFM之施加偏壓後金薄膜高度影像圖................... 34 圖 4-3 AFM之金薄膜高度剖面圖............................. 34 圖 4-4 AFM之金薄膜高度影像圖..............................35 圖 4-5 AFM之施加電壓後金薄膜高度影像圖....................35 圖 4-6凸起點之AFM高度剖面圖...............................35 圖 4-7新探針之SEM影像.....................................36 圖 4-8探針對金薄膜施加直流偏壓後之SEM影像.................39 圖 4-9探針對金薄膜施加偏壓後之SEM影像.....................37 圖 4-10 Tapping mode 探針之EDS分析........................37 圖 4-11 PA01校準片之AFM高度影像圖.........................39 圖4-12 施加偏壓後PA01校準片之AFM高度影像圖................39 圖 4-13 40nm金顆粒之AFM高度影像圖.........................40 圖 4-14 40nm金顆粒之AFM剖面圖.............................40 圖 4-15 施加偏壓後40nm金顆粒之AFM高度影像圖...............41 圖 4-16 施加偏壓後40nm金顆粒之AFM剖面圖...................41 圖 4-17 40nm金顆粒之AFM相位影像圖.........................42 圖 4-18 施加偏壓後40nm金顆粒之AFM相位影像圖...............42 圖 4-19 40nm金顆粒之AFM高度影像圖.........................43 圖 4-20 40nm金顆粒之AFM剖面圖.............................43 圖 4-21 施加偏壓後40nm金顆粒之AFM高度影像圖...............44 圖 4-22 施加偏壓後40nm金顆粒之AFM剖面圖...................44 圖 4-23 40nm金顆粒之AFM高度影像圖.........................45 圖 4-24 40nm金顆粒之AFM剖面圖.............................45 圖 4-25 施加偏壓後40nm金顆粒之AFM高度影像圖...............46 圖 4-26 施加偏壓後40nm金顆粒之AFM剖面圖...................46 圖 4-27 40nm金顆粒施加偏壓後之探針影像....................47 圖 4-28 40nm金顆粒施加偏壓後之探針影像....................47 圖 4-29 40nm金顆粒施加偏壓後之探針影像....................48 圖 4-30 探針尖端之EDS分析圖...............................49 圖 4-31 Force spectrum示意圖..............................51 圖 4-32 13nm金顆粒之AFM高度影像圖.........................51 圖 4-33 13nm金顆粒之剖面圖................................51 圖 4-34 施加偏壓後13nm金顆粒之AFM高度影像圖...............52 圖 4-35 施加偏壓後13nm金顆粒之剖面圖......................52 圖 4-36 13nm金顆粒施加偏壓後之探針影像....................53 圖 4-37 探針尖端之EDS分析圖...............................54 圖 4-38 13nm金顆粒施加偏壓後之探針影像....................55 圖 4-39 XPS成分分析圖.....................................56 圖 4-40 AFM探針之可見光CCD影像............................58 圖 4-41 AFM探針之螢光影像（Hamamatsu-ORCA）...............58 圖 4-42 AFM探針之可見光CCD影像............................59 圖 4-43 AFM探針（40nm金顆粒）螢光影像（Hamamatsu-ORCA）...59 圖 4-44 Ni film實驗示意圖.................................60 圖 4-45 探針對鎳薄膜施加偏壓後之SEM影像...................61 圖 4-46 探針尖端之EDS分析圖...............................61 圖 5-1 不同尺寸Au nanoparticles適合的參數範圍.............63

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