鎵奈米粒子蒸鍍於聚合物之自組裝機制探討及其電漿子光學性質研究

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高永菱(Yung-Ling Kao) 查詢紙本館藏

畢業系所

材料科學與工程研究所

論文名稱

鎵奈米粒子蒸鍍於聚合物之自組裝機制探討及其電漿子光學性質研究
(Self-assembling Mechanisms and Plasmonic Optical Properties of Gallium Nanoparticles Embedded in Polymers by Evaporation)

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摘要(中)

本研究利用真空熱蒸鍍沉積系統(Thermal evaporation system)，將鎵金屬蒸鍍於固化後之聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)彈性體上。在選用的製程參數下，鎵金屬粒子會沉浸於PDMS基板表面之下，自行排列成大小均一的球形奈米結構，形成一個可利用機械式拉伸調節局域性表面電漿子共振(LSPR)特徵波峰位置之複合材料。沉積於高分子內部可以使鎵金屬奈米粒子大小及分佈較硬基板上的更為均勻，且奈米粒子能穩定存在，然而鎵金屬會浸沒於PDMS基板的機制、以及在不同製程條件下的鎵金屬自組裝結構變化之成因，尚未有研究證實。本研究透過掃描式(SEM)及穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察此奈米結構之表面及截面形貌，並且使用光譜儀量測反射之LSPR訊號，將得到之實驗結果進行整理分析後推測出不同自組裝奈米結構之形成機制。此外也利用時域有限差分法(FDTD)之模擬軟體分析不同奈米結構之光學性質，在反射圖譜上得到與實驗結果相符之趨勢，也透過電場分佈圖了解奈米粒子間之交互作用。

摘要(英)

In this study, gallium was evaporated on the cured polydimethylsiloxane (PDMS) using the thermal evaporation system. Under our process parameters, the gallium nanoparticles (Ga-NPs) are immersed under the surface of the PDMS substrate and self-assemble into uniform-sized spherical nanostructures, which can be utilized in localized surface plasmon resonance (LSPR) and tuned the characteristic peak position by stretching. Gallium nanoparticles can be well arranged and size-uniformed by deposited into the polymer, and the nanostructure are able to stabilize in the polymer. However, the mechanism of Ga-NPs embedded in the PDMS substrate and the changes of the self-assembled structure under different process conditions have not been confirmed. Therefore, we observed the surface and cross-sectional morphologies of the nanostructures each by SEM and TEM, and also measured the reflection by the UV-Vis spectrometer, in order to figure out the formation mechanism of the Ga-PDMS nanocomposite. In addition, the finite-difference time-domain (FDTD) simulation was used to analyze the optical properties of different nanostructures. The trend of simulation results was consistent with our experiments, and the interactions between nanoparticles were also understood through the electric-field distribution.

關鍵字(中)

★ 複合材料
★ 鎵奈米粒子
★ 聚二甲基矽氧烷
★ 電漿子結構
★ 時域有限差分法

關鍵字(英)

★ metal-polymer nanocomposite
★ gallium nanoparticles
★ polydimethylsiloxane (PDMS)
★ plasmonic nanostructure
★ finite-difference time-domain (FDTD)

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 viii
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
第二章文獻回顧 3
2-1 金屬-高分子複合材料 3
2-1-1 液態金屬-高分子複合材料簡介 3
2-1-2 金屬奈米粒子沉浸於高分子基板的製程 4
2-1-3 蒸鍍金屬於高分子的研究探討 7
2-1-4 聚二甲基矽氧烷簡介 10
2-2 電漿子光學 13
2-2-1 局域性表面電漿子共振 13
2-2-2 影響電漿子共振的因素 14
2-2-3 調控電漿子共振的方法 19
2-3 鎵金屬的特性及其在電漿子領域的應用 23
2-3-1 液態鎵金屬的特性及其應用 23
2-3-2 鎵金屬在電漿子領域的應用 24
第三章研究方法 28
3-1 實驗材料與設備 28
3-2 實驗步驟 29
3-3 時域有限差分法(FDTD)模擬之架構 30
第四章研究結果與討論 31
4-1 不同鎵金屬蒸鍍條件對奈米結構的影響 31
4-1-1 改變鎵金屬蒸鍍速率 31
4-1-2 改變鎵金屬蒸鍍厚度 33
4-2 不同PDMS固化溫度對奈米結構的影響 37
4-3 探討蒸鍍之金屬沒入PDMS基板之機制 39
4-4 光學性質探討 43
4-4-1 奈米結構不同對光學性質的影響 43
4-4-2 以自製模具機械式二維拉伸調控光學性質 47
第五章結論 51
參考文獻 52

參考文獻

參考文獻
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指導教授

陳一塵(I-Chen Chen)

審核日期

2022-9-13

推文