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博碩士論文 etd-0805108-151544 詳細資訊
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論文名稱
Title
溫度對自組裝薄膜分子堆積的效應
Temperature dependence of molecular packing in self-assembled monolayer films
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
87
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2008-07-29
繳交日期
Date of Submission
2008-08-05
關鍵字
Keywords
傅利葉轉換紅外光譜、熱穩定性、自組裝薄膜、側向力顯微鏡、接觸角、原子力顯微鏡
Lateral force microscopy, Thermal stability, Fourier transform infrared spectroscopy, Atomic force Microscopy, Self-assembled monolayers, Contact angle
統計
Statistics
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中文摘要
將矽放置在含烷基分子溶液中後,分子會自組裝在矽的表面而形成一層薄膜,此過程是屬於自然且自發的反應。而烷基薄膜通成被使用來當作矽介面之間的潤滑層,通常被應用在微機電或微奈米電子系統中。在室溫下此薄膜降低摩擦力的能力是令人無庸置疑的,但若系統元件處於工作或操作產生的高溫環境時,自組裝薄膜的熱穩定就鲜為人知了。在本實驗中,我們使用矽六烷、矽十二烷以及矽十八烷作為自組裝分子,並進一步的將其修飾在矽的表面上。而這些不同長短的自組裝薄膜,由於分子間的作用力不同,而使得分子在表面的堆積情形也不同。由傅立葉紅外光譜實驗可知 C6 自組裝薄膜的分子堆積較為鬆散,而使表面分子的自由度較高。另外由升溫退火的紅外光譜實驗可以進一步發現 C6 分子的非對稱 CH2 伸縮振動紅外光吸收訊號維持在 2928 cm-1 至 500 K,顯示表面自由度高的 C6 自組裝分子散熱較為容易。而長碳鏈的 C12 、 C18 自組裝薄膜的非對稱 CH2 振動吸收在300 K 至 575 K 之間,則顯示出階梯式的藍移現象,表示 C12 與 C18 自組裝薄膜的分子堆積會逐漸變差,但在某些溫度區間又會維持短暫的熱穩定性。表面接觸角的實驗顯示了 C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜的表面化學變化,這些自組裝薄膜均隨著溫度的上昇,由原本的疏水性逐漸的轉變為親水性。由原子力顯微鏡的量測發現 C18 自組裝薄膜溫度升高至 460 K 後,表面由於分子的重組而出現了許多的小洞。而當這些小洞出現後,由側向力顯微鏡的量測發現, C18 自組裝薄膜的表面摩擦係數會因而急劇的上昇。但隨著溫度持續的上昇,各自組裝薄膜的摩擦係數也逐漸的上昇。了解表面分子受熱的變化情形後,有助於設計出更新、更好的抗摩損薄膜,接著若在微奈米機電系統齒輪元件的介面間,修飾上可降低介面摩擦力的自組裝薄膜,便可使齒輪元件的工作壽命延長以及成本降低。
Abstract
An alkyl-containing self-assembled monolayer is grafted on the silicon surface by a nature process in solutions. The alkyl thin film was used as the lubricant for the silica interface, usually applied to the MEMS or NENS domains. The ability of reducing friction for silica device at room temperature was improved, but little was known as the thin films existed at higher temperature during device was working or operating. In this study, we used Hexyltrichlorosilane (C6), Dodecyltrichlorosilane (C12), and Octadecyltrichlorosilane (C18) molecules to form self-assembled monolayers (SAMs) on silicon, and these monolayers exhibited different molecular packing properties due to different interactions between the molecules. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) revealed that the short chain-length (C6) molecules exhibited poor packing on the surface at room temperature, and that the molecular packing of C6 was thermally stable up to 500 K. But the C12 and C18 monolayers exhibited abrupt blue shifts in FTIR at temperatures between 300 and 575 K, with stable packing observed over several temperature ranges. Furthermore, water contact angle measurements showed the C6, C12, and C18 molecular films changed from hydrophobic to hydrophilic as the sample temperature was increased. Atomic force microscopy (AFM) images revealed that pits had formed in the C18 monolayer after the temperature was increased to 460 K, which were caused by the molecular reorganization of C18 on the surface. This resulted in an abrupt change in the friction coefficient for the C18 monolayer at 460K as compared to the short C6 and C12 monolayers. However, the friction coefficients for all the SAM films still increased with temperature. Understanding the temperature-dependent behavior of SAM film molecules will assist in the design of better anti-wear monolayers to improve performance and increase lifetimes in modern MEMS and NEMS devices.
目次 Table of Contents
目次
第一章 介紹1

1.1 前言1
1.2 自組裝薄膜的結構2
1.3 實驗目的3
1.4 文獻回顧6

第二章 實驗材料與方法8

2.1 實驗材料8
2.2 自組裝薄膜的製備與升溫退火10
      2.2.1 自組裝薄膜的製備10
      2.2.2 升溫退火過程10
2.3 接觸角與表面能量的量測11
      2.3.1 潤濕行為11
      2.3.2 潤濕性質12
      2.3.3 自組裝薄膜上水接觸角的量測13
2.4 傅利葉紅外光譜的量測14
   2.4.1 傅利葉轉換紅外光譜14
   2.4.2 紅外線光譜學的原理15
   2.4.3 影響分子基團吸收波數的因素16
        2.4.3.1內部因素16
        2.4.3.2外部因素18
      2.4.4 紅外光譜的實驗量測19
2.5 原子力顯微鏡的量測20
      2.5.1 原子力顯微鏡的原理20
      2.5.2 原子力顯微鏡的間歇式圖譜掃描22
      2.5.3 自組裝薄膜表面形貌的擷取25
2.6 側向力顯微鏡的量測26
      2.6.1 側向力顯微鏡工作原理26
      2.6.2 自組裝薄膜側向力圖譜的量測27

第三章 結果與討論28

3.1 溫度對自組裝薄膜分子堆積的影響28
3.2 高溫下自組裝薄膜的表面能46
3.3 溫度效應對表面形貌的影響49
3.4 溫度效應對表面摩擦力的影響59
3.5 溫度效應對自組裝分子堆積以及其奈米摩潤的探討65


第四章 結論70

第五章 未來展望72

第六章 參考文獻73


圖目
圖例 1.1 自組裝薄膜示意圖2
圖例 1.2 碳氫鏈自組裝分子修飾至矽表面,降低摩擦示意圖3
圖例 1.3 表面上化學鍵的斷裂與生成4
圖例 2.1 自組裝薄膜的升溫退火過程10
圖例 2.2 液珠與表面接觸示意圖11
圖例 2.3 水珠在表面潤濕的情形12
圖例 2.4 傅利葉轉換紅外光譜儀結構示意圖14
圖例 2.5 原子力顯微鏡結構圖(A)21
圖例 2.6 原子力顯微鏡結構圖(B)23
圖例 2.7 金奈米粒子吸附在矽表面的形貌圖譜24
圖例 2.8 原子力顯微鏡結構圖(C)27
圖一 室溫下時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜的紅外吸收光譜圖30
圖二 室溫下時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜非對稱 CH2 伸縮振動吸收鋒的半高寬32
圖三 不同溫度下時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜的紅外吸收光譜圖35 、 36 、 37
圖四 不同溫度下時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜非對稱 CH2 吸收強度積分及半高寬圖譜40
圖五 不同溫度下時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜的非對稱 CH2 振動的紅外吸收光譜圖44 、 45
圖六 不同溫度下時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜的表面水接觸角圖48
圖七 不同溫度下時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜的表面形貌圖譜51
圖八 515 K 時, C6 、 C12 與 C18 自組裝薄膜表面的刮擦奈米 圖案54
圖九 450 K以及 460 K 時, C18 自組裝薄膜表面重組的現象58
圖十 300 K 、 460 K 與 515 K 時, C6 、 C12 與 C18 自組裝
   薄膜的正向力與表面摩擦力的圖譜63

表目
表一 實驗藥品 9
表二 實驗儀器9
表三 300 K 、 460 K 與 515 K 時, C6 、 C12 與 C18 自組裝
   薄膜的 CH2 非對稱紅外吸收以及表面摩擦係數64
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