利用陽極氧化鋁模板製備銀奈米結構陣列於玻璃基板

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姓名

陳彥勳(Yen-Hsun Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

材料科學與工程研究所

論文名稱

利用陽極氧化鋁模板製備銀奈米結構陣列於玻璃基板
(Fabrication of Ag Nanostructure Arrays on Glass Substrates Using Anodic Aluminum Oxide Template)

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摘要(中)

利用具有奈米孔徑的模板來製備低維度奈米材料是一個成本低而具有潛力的方法，且不需要利用昂貴地微影製程設備，即可成功地製備奈米陣列於基板上。而模板法中又以陽極氧化鋁　(anodic　aluminum　oxide；AAO)　模板，為較引人注目的材料，因為陽極氧化鋁模板為奈米孔洞材料，孔洞規則性佳以及孔洞密度高等優點，並可藉由改變製程參數改變孔洞大小和孔洞間距。
在此研究中，是利用電子束蒸鍍機台(electron-beam　evaporator)，透過陽極氧化鋁模板，成功地製備出具有週期性排列的銀奈米結構於玻璃基板上，而此陽極氧化鋁模板，則是經由將高純度鋁片置於　0.3　M　的草酸電解液中，將反應溫度控制在　0－3　oC　範圍內，並施加固定外加電壓為　40　V的陽極處理環境下，經過兩次陽極處理　(two-step　anodization)　後，則可獲得蒸鍍用的模板，另外並可藉由調整二次陽極處理的時間來調控陽極氧化鋁模板的長寬比　(aspect　ratio)，以及控制擴大孔洞　(pore-widening)　的時間，改變其孔洞直徑和孔洞與孔洞之間距。
由於在蒸鍍金屬時，具有孔洞遮蔽效應的因素影響，因此可藉由改變沉積時，銀的蒸鍍厚度，製備出不同形貌的銀奈米結構，如：奈米圓盤狀、奈米半橢圓狀、和奈米圓錐狀等。並利用可見光紫外光光譜儀，觀察其沉積於玻璃基板上之銀奈米結構的長寬比對於表面電漿共振的特性的影響，當銀的奈米結構長寬比從　0.25　增加至　1　時，產生了藍位移的現象，而其表面電漿共振特徵峰則從波長　454　nm　位移至　434　nm。

摘要(英)

Nanosize　templates　are　a　low-cost　and　promising　approach　for　deposition　of　low-dimensional　nanomaterials　or　transfer　of　nanopatterns　onto　a　substrate　without　using　costly　lithography　equipments.　Among　the　nanosize　templates,　anodic　aluminum　oxide　(AAO)　membrane　is　one　of　the　most　attractive　nanopore　materials　due　to　its　highly　ordered　structure,　high　pore　density　and　tunable　pore　size.　In　this　study,　periodic　silver　(Ag)　nanostructures　on　glass　substrates　were　fabricated　by　depositing　Ag　through　AAO　templates　using　an　electron-beam　evaporator.　The　AAO　membranes　were　prepared　by　the　two-step　anodization　electrochemical　procedure　of　aluminum　sheet　in　0.3 M　oxalic　acid　solution　under　a　constant　applied　voltage　of　40　V,　and　their　aspect　ratio　and　pore　size　could　be　well-controlled　by　adjusting　the　second　anodization　time　and　pore-widening　time.　Due　to　the　closure　effect　during　the　deposition　process,　various　shapes　of　Ag　nanostructures　(such as,　nano-disks,　nano-hemispheres　and　nano-cones)　could　be　obtained　by　changing　the　amount　of　Ag　deposited　through　the　AAO　templates.　The　effect　of　the　aspect　ratios　on　surface　plasmon　resonance　(SPR)　properties　of　Ag　nanostructure　arrays　on　the　glass　substrates　were　investigated　using　a　UV-visible　spectrophotometer.　As　the　aspect　ratio　increases　from　0.25　to　1,　the　absorption　peak　position　(λSPR)　undergoes　a　blue　shift　from　454　nm　to　434　nm.

關鍵字(中)

★ 銀奈米結構陣列
★ 表面電漿共振
★ 陽極氧化鋁模板

關鍵字(英)

★ Surface plasmon resonance
★ Silver nanostructure arrays
★ Anodic aluminum oxide

論文目次

摘要 .................................................... i
Abstract ............................................... ii
致謝 .................................................. iii
目錄 .................................................... v
圖目錄 ............................................... viii
表目錄 ................................................. xi
第一章緒論 ............................................. 1
第二章文獻回顧 ......................................... 3
2.1 奈米材料之簡介 ...................................... 3
2.2 陽極氧化鋁 .......................................... 4
2.3 多孔性陽極氧化鋁成長機制 ............................ 5
2.3.1 孔洞的生成 ........................................ 5
2.3.2 穩定成長 .......................................... 6
2.4 製備多孔性陽極氧化鋁成長之參數 ...................... 7
2.4.1 電壓對於多孔性氧化鋁之影響......................... 7
2.4.2 電解液及其濃度對於多孔性氧化鋁之影響 .............. 8
2.4.3 溫度對於多孔性氧化鋁之影響 ........................ 9
2.5 高規則排列多孔性氧化鋁製備方法 ..................... 10
2.5.1 預製圖案法 ....................................... 10
2.5.2 二次陽極處理法 ................................... 12
2.6 多孔性陽極氧化鋁應用於製備奈米材料.................. 13
2.7 貴金屬奈米結構的表面電漿共振特性 ................... 16
2.8 貴金屬奈米結構的表面電漿共振特性之應用 ............. 18
第三章實驗方法與步驟 .................................. 19
3.1 實驗流程............................................ 19
3.2 實驗設備............................................ 21
3.3 實驗材料............................................ 21
3.4 實驗步驟............................................ 22
3.4.1 實驗器材之準備 ................................... 22
3.4.2 樣品基材 ......................................... 23
3.4.3 電解拋光 ......................................... 23
3.4.4 陽極處理 ......................................... 24
3.4.5 移除氧化鋁 ....................................... 25
3.4.6 塗佈指甲油做為保護層 ............................. 25
3.4.7 移除金屬鋁、背部障壁層及孔洞擴大.................. 26
3.4.8 物理氣相沉積銀奈米結構 ........................... 26
3.5 儀器分析方法 ....................................... 27
3.5.1 場發射掃描式電子顯微鏡 (FE-SEM) .................. 27
3.5.2 紫外光/可見光/近紅外分光光譜儀 (UV-Visible-NIR)... 27
3.5.3 X 光繞射分析儀 (X-ray diffraction) ............... 27
第四章結果與討論 ...................................... 28
4.1 電解拋光............................................ 28
4.2 陽極處理............................................ 30
4.2.1 第一次陽極處理 ................................... 30
4.2.2 移除第一次陽極處理之氧化鋁（鋁金屬碗狀結構)....... 30
4.2.3 二次陽極處理...................................... 34
4.2.4 擴大孔洞之時間 ................................... 34
4.3 不同厚度之陽極氧化鋁模板 ........................... 41
4.3.1 藉由控制二次陽極處理時間製備不同厚度模板.......... 41
4.3.2 將不同厚度陽極氧化鋁模板轉移至基板................ 41
4.4 沉積銀奈米結構及其光學性質分析...................... 50
4.4.1 銀奈米圓錐狀結構 ................................. 50
4.4.2 銀奈米圓盤狀結構 ................................. 50
第五章總結 ............................................ 58
參考文獻 ............................................... 59

參考文獻

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指導教授

陳一塵(I-Chen Chen)

審核日期

2011-7-15

推文