臺灣博碩士論文加值系統

本研究係在利用控制不同電壓製程，在電泳沉積系統中自組裝成光子晶體薄膜，堆積出排列有序的光子晶體且有最佳的光能隙強度。首先利用溶膠凝膠法合成出均一粒徑分佈之二氧化矽粒子，藉由選擇溶劑、改變外加電壓、濃度、沉積時間之變因下，則以電泳的方法使粒子堆積於工作電極上，粒子能自行組裝成規則排列成光子晶體。實驗結果顯示，系統的影響因子會影響排列沉積狀態，當外加電壓的高、低與時間的長短會影響堆積厚度與粒子排列，而堆積的層數多寡也會影響晶體的光學性質。由上述操作因子實驗結果得知，發現電壓操作為主要的因子，對不同電壓操作模式做更進一步的探討：兩段式開關電壓、升梯式開關電壓、降梯式開關電壓，發現當降梯式電壓控制下堆積光子晶體，將導致光子晶體薄膜結構較緻密整齊，進而提升光能隙強度。

The quality of photonic band gap (PBG) film produced using uniform colloidal silica particles by electrophoresis deposition (EPD) method was studied. The colloidal silica particles were synthesized to form spherical shape at 430 nm uniformly. The SiO2 particles were dispersed in solvent and deposited electrophorestically on anode electrode under the applied voltage. The effects of the influential factors, such as applied voltage, concentration of the suspension, deposition time and pH values, on the EPD deposition process were analyzed. Results show that the morphology of the particle deposition can be affected by the influential factors. The applied voltage on the EPD deposition system was found to be the significant parameter to influence the PBG films. Different operations of the applied voltages, i.e. on-off voltage, voltage ascent, and voltage descent approaches, were carried out for the deposition process. From the data analysis, the quality of the PBG films can be significantly improved using the voltage descent operating condition.

目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 簡介 1
1.2 研究動機及目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 光子晶體簡介 3
2.1.1 光子能隙原理 5
2.1.2 光子晶體其光學性質 7
2.1.3 光子晶體應用 9
2.1.4 光子晶體的製程 12
2.2 電泳沉積技術(Electrophoresis deposition) 19
2.2.1 電泳沉積原理 19
2.2.2 膠體粒子之分散 20
2.2.3 電泳懸浮液系統種類 22
2.2.4 影響電泳沉積的因素 22
2.2.5 電泳沉積法之優點與應用 24
2.3 溶膠凝膠法(sol-gel) 25
第三章 實驗方法與步驟 29
3.1 實驗流程 29
3.2 實驗設備 30
3.3 實驗材料與步驟 31
3.3.1 實驗藥品材料與實驗參數 31
3.3.2 膠體粒子之製備及分配 32
3.3.3 光子晶體製備 33
3.3.4 設計不同電壓操作 34
3.4 性質量測與分析 38
3.4.1 掃描式電子顯微鏡（SEM） 38
3.4.2 紫外光-可見光吸收光譜分析（UV-Vis spectrum） 38
3.4.3 動態光散射儀（Dynamics Light Scattering, DLS） 38
第四章 結果與討論 40
4.1 二氧化矽粒子的製備 40
4.2 電泳沉積法製備光子晶體製程之操作因子的影響 43
4.2.1 電壓的影響 43
4.2.2 時間的影響 44
4.2.3 膠體溶液濃度的影響 51
4.2.4 不同pH值的影響 54
4.3 控制不同電壓操作的影響 59
4.3.1 兩段式開關電壓操作 59
4.3.2 升梯式電壓操作 65
4.3.3 降梯式電壓操作 66
第五章 結論 73
參考文獻 74
附錄 78
 
表目錄
表2. 1 光子晶體之濕式製程列表 14
表2. 2 電泳沉積法發展的沿革 19
表3. 1 實驗藥品清單 31
表3. 2 實驗參數 31
表4. 1不同電壓與不同沉積時間下之光能隙值 50
表4. 2不同濃度與相同電壓、沉積時間下之光能隙值 51
表4. 3不同開關式電壓條件之光能隙值 61
表4. 4 不同電壓操作模式下光能隙數據值 63
表4. 5升梯式電壓條件之光能隙值 68
表4. 6降梯式電壓條件之光能隙差 70
表4. 7 不同電壓操作模式與單一電壓操作比較之光能隙強度效果表 72

 
圖目錄
圖2. 1 蝴蝶的表面以及微結構[4] 4
圖2. 2 蛋白石以及微結構[4] 4
圖2. 3一維、二維、三維的光子晶體結構示意圖[7] 5
圖2. 4 不同空間型態的光能隙帶圖 (a) 1D , (b)2D, (c)3D[7] 6
圖2. 5 光子晶體光纖之電子顯微鏡圖[10, 11] 11
圖2. 6 (a)傳統LED光發射意示圖，(b)光子晶體LED光發射意示圖[12] 11
圖2. 7 (a)兩次彎曲的光波導電子顯微鏡圖，(b)兩次彎曲的場分布圖[13] 11
圖2. 8 鑽洞法示意圖[4] 15
圖2. 9微影蝕刻法意示圖[14, 15] 15
圖2.10 蛋白石結構光子晶體 16
圖2.11 反蛋白石結構光子晶體結構圖 16
圖2. 12 自然沉降法示意圖[18, 19] 17
圖2. 13 毛細管現象法示意圖[20] 17
圖2. 14 超音波震盪法示意圖[21, 22] 18
圖2. 15 模板導引法示意圖[23] 18
圖2. 16 電泳沉積示意圖 21
圖2. 17粒子分散機制(a)靜電斥力(b)立體阻隔效應(c)靜電立體阻隔[34] 21
圖2. 18 在不同電壓下ZnO沉積於銅電極上之厚度與時間關係圖[38] 24
圖2. 19 二氧化矽粒子結構示意圖[48] 28
圖2. 20 粒子生成示意圖[49] 28
圖3. 1 實驗流程圖 29
圖3. 2 電泳沉積法裝置示意圖 30
圖3. 3 膠體粒子製備流程示意圖 35
圖3. 4 光子晶體製備流程示意圖 36
圖3. 5 兩階段式開關電壓之操作示意圖 37
圖3. 6 升梯式電壓之操作示意圖 37
圖4. 1 二氧化矽粒子之XRD圖 41
圖4. 2 溶膠凝膠法所合平均粒徑430nm ± 0.1 % SEM圖 42
圖4. 3 DLS所測得二氧化矽粒子之數目平均430nm ± 0.1% 42
圖4. 4固定沉積時間15分鐘，不同外加電壓下之UV-Visible圖 46
圖4. 5 固定沉積時間15分鐘，不同外加電壓下之光子晶體SEM圖 (a)10V，(b)15V，(c)20V，(d)25V。 47
圖4. 6固定外加電壓(20V)下，不同堆積時間下之UV-Visible圖 48
圖4. 7 固定外加電壓(20V)下，不同沉積時間之光子晶體SEM圖 49
圖4. 8 不同電壓，不同沉積時間下光子晶體之光能隙圖 50
圖4. 9 相對電壓下，不同濃度之UV-Visible圖 52
圖4. 10 電壓20V、時間10分鐘下，不同濃度之光子晶體SEM圖 53
圖4. 11 相對電壓下，不同pH值之UV-Visible圖 56
圖4. 12 二氧化矽膠體溶液之Zeta Pontential隨pH值變化分析[51] 57
圖4. 13 外加電壓20 V下，沉積時間15min之UV-Visible圖 58
圖4. 14相同沉積時間下，不同開關式電壓操作之UV-Visible比較圖 61
圖4. 15 不同開關式電壓之SEM圖 (a) 10_0正面圖，(b) 10_0側面圖，(c) 20_0正面圖，(d) 20_0側面圖，(e) 30_0正面圖，(f) 30_0側面圖。 62
圖4. 16 相同沉積時間下，不同外加電壓下之UV-Visible比較圖 63
圖4. 17 相同時間下，單一式外加電壓之SEM圖 (a) 10 V之正面圖，(b) 10 V之側面圖，(c) 20 V之正面圖，(d) 20 V之側面圖，(e) 30 V之正面圖，(f) 30 V之側面圖。 64
圖4. 18升梯式電壓操作之UV-Visible比較圖 68
圖4. 19 升梯式電壓操作之SEM圖(a) 10-30 V ( 2.5min)正面圖，(b) 10-30 V ( 2.5min)側面圖，(c) 10-30 V ( 5min)正面圖，(d) 10-30 V ( 5min)側面圖，(e) 10-20 V( 5min) 正面圖，(f) 10-20 V( 5min) 側面圖。 69
圖4. 20 降梯式電壓操作之UV-Visible比較圖 70
圖4. 21降梯式電壓操作之SEM圖 (a) 30-10V ( 2.5min)正面圖，(b) 30-10V ( 2.5min)側面圖，(c) 30-10V ( 5min)正面圖，(d) 30-10V ( 5min)側面圖，(e) 20-10V ( 5min)正面圖，(f) 20-10V ( 5min)側面圖。 71
圖4. 22 不同電壓操作模式與單一電壓操作比較之光能隙圖 72
附圖 1 固定電壓(10V)下，時間5分鐘之光子晶體SEM圖 78
附圖 2固定電壓(10V)下，時間10分鐘之光子晶體SEM圖 78
附圖 3固定電壓(10V)下，時間15分鐘之光子晶體SEM圖 79
附圖 4固定電壓(10V)下，時間30分鐘之光子晶體SEM圖 79
附圖 5 固定電壓(15V)下，時間5分鐘之光子晶體SEM圖 80
附圖 6 固定電壓(15V)下，時間10分鐘之光子晶體SEM圖 80
附圖 7 固定電壓(15V)下，時間15分鐘之光子晶體SEM圖 81
附圖 8 固定電壓(15V)下，時間30分鐘之光子晶體SEM圖 81
附圖 9固定電壓(25V)下，時間5分鐘之光子晶體SEM圖 82
附圖 10固定電壓(25V)下，時間10分鐘之光子晶體SEM圖 82
附圖 11 固定電壓(25V)下，時間15分鐘之光子晶體SEM圖 83
附圖 12 固定電壓(25V)下，時間30分鐘之光子晶體SEM圖 83
附圖 13 電壓20V，時間10分鐘下，濃度為0.05wt%光子晶體側面圖 84
附圖 14電壓20V，時間10分鐘下，濃度為0.08wt%光子晶體側面圖 84
附圖 15電壓20V，時間10分鐘下，濃度為0.1wt%光子晶體側面圖 85
附圖 16電壓20V，時間10分鐘下，濃度為0.3wt%光子晶體側面圖 85
附圖 17 工作電壓30V，沉積時間5 min下煅燒後之光子晶體正面圖 86
附圖 18工作電壓30V，時間5分鐘下煅燒後之光子晶體側面圖 86
附圖 19 工作電壓30V，時間10分鐘下煅燒後之光子晶體正面圖 87
附圖 20 工作電壓30V，時間10分鐘下煅燒後之光子晶體側面圖 87
附圖 21工作電壓30V，時間1分鐘下之光子晶體正面圖 88
附圖 22工作電壓30V，時間1分鐘下之光子晶體側面圖 88
附圖 23工作電壓30V，時間2分鐘下之光子晶體側面圖 89
附圖 24工作電壓30V，時間2分鐘下之光子晶體側面圖 89
附圖 25工作電壓30V，時間3分鐘下之光子晶體正面圖 90
附圖 26 工作電壓30V，時間3分鐘下之光子晶體側面圖 90
附圖 27工作電壓30V，時間4分鐘下之光子晶體正面圖 91
附圖 28工作電壓30V，時間4分鐘下之光子晶體側面圖 91
附圖 29工作電壓30V，時間5分鐘下之光子晶體正面圖 92
附圖 30工作電壓30V，時間5分鐘下之光子晶體側面圖 92
附圖 31 濃度0.1 wt %、RH70下，自組裝方式堆積之SEM圖 93
附圖 32 電場6V/cm、濃度0.1 wt %下，電泳沉積之SEM圖 93
附圖 33工作電壓30V，沉積時間5min煅燒前後UV_Visble比較圖 94
附圖 34工作電壓30V，不同沉積時間1~5 min下UV_Visble比較圖 94

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