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研究生:朱秋汝
研究生(外文):Chuao-Zu Chu
論文名稱:奈米金顆粒的研製與其奈米光學特性研究
論文名稱(外文):Fabrication and nano-optical properties of gold nanoparticles
指導教授:江海邦張瑞麟張瑞麟引用關係蔡定平
指導教授(外文):Hai Pang ChiangRailing ChangDin Ping Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:光電科學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:奈米金顆粒奈米光學表面電漿奈米金圓柱
外文關鍵詞:gold nanoparticlesnano-opticssurface plasmongold nano-rods
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奈米金屬粒子會吸收某一特定波長的光子能量,而使得原本均勻分佈在粒子束縛範圍內的自由電子,依電場的方向而產生不均勻的分佈,亦即生成瞬間的誘導式電偶極。由古典物理的靜電場理論可預測奈米金屬粒子的吸收光譜,進而獲知吸收光譜中的特性吸收波帶與材料性質、粒子大小和形狀的相依關係。本論文的實驗研究中,進行了奈米金顆粒的研製,以及金奈米圓柱的製備方法研究,並使用倒立式顯微鏡來直接觀測金奈米粒子在溶液中不同形狀的成長,利用暗視野光學顯微技術來檢測其奈米光學特性。
Surface plasmon resonance (SPR) can be excited in the optical wavelength range on metallic nanoparticles. This phenomenon comes from collective oscillations of electronic charges generated by the incident electromagnetic field. The fluctuations of charges are confined at the interface with large local enhancements. According to classical electromagnetism, we can predict the absorption spectra of metallic nanoparticles, and know about the dependence of size, shape and composition of nanoparticles. In this thesis, we have carried out the developments of production of gold nanoparticles and nano-rods, and furthermore observed the growth of various gold nanoparticles in solution by using an inverted optical microscope. In-situ imaging of the nanoparticles and nano-rods in dark-field microscopy is used to understand the properties of gold nanoparticles and nano-rods.
目錄

中文摘要…………………………………………………………….….Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………......Ⅱ
章節目錄………………………………………………………………..Ⅲ
表目錄………………………………………………………………...Ⅵ圖目錄……………………………………………………………….….Ⅶ

第一章 緒論…………………………………………….………….……1
1-1 金屬奈米材料的特性與應用……………..…………………..1
1-2 奈米金顆粒近期的研究與發展…...………………………......3
1-3 研究動機……………………………………………………….4
第二章 理論背景………………………………………………………..6
2-1 電磁波在物質中傳播的特性……………………………….....6
2-2 金屬-介電質介面之表面電漿共振…………………………...7
2-2-1 光在導體中傳播………………………………………..7
2-2-2 表面電漿共振…………………………………………10
2-3 古典理論解粒子的表面電漿共振……….…….…………….13
2-3-1 光在粒子的散射與吸收………………………………13
2-3-2 金屬粒子的表面電漿共振……………………………14
第三章 奈米材料製作……………………………………………........22
第四章 實驗與討論………………………………………………........25
4-1 奈米金顆粒的研製…………………………………………...25
A 還原法製作奈米金顆粒球…….……………….…………25
A-1 反應機制…………………………………………….25
A-2 實驗步驟…………………………………………….27
A-3 實驗結果與討論…………………………………….31
B 金奈米圓柱的合成………………………………………..36
B-1 金奈米圓柱的軟式模版成長機制………………….36
B-2 實驗步驟…………………………………………….38
B-3 實驗結果…………………………………………….40
4-2 觀測奈米金顆粒的成長……………………………………...42
4-2-1 實驗架構………………………………………………42
4-2-2 實驗方法………………………………………………44
4-2-3 結果與討論……………………………………………46
4-3 光與奈米金顆粒的交互作用………………………………...52
4-3-1 反射光觀察結果 ……………………………………...54
4-3-1-1 奈米金顆粒在不同環境介質下的反射….…55
4-3-1-2 奈米金圓柱…………………………………..60
4-3-2 散射光觀察結果………………………………………66
4-3-2-1 收光機制……………………………………..66
4-3-2-2 奈米金顆粒在不同環境介質下的散射……..68
4-3-2-3 入射光方向的效應…………………………71
第五章 結論……………………………………………………………76
參考文獻…………………………………………………..……………80
表目錄
表1-1: 奈米金顆粒中所含的原子數以及表面原子所佔的比率與粒徑
的關係………………………………………………………….1
表2-1: 不同元素在波長620nm時不同的skin depth…………………9

圖目錄
圖1-1: 金的結構。……………………………………………………...3
圖1-2: (a)傳統光學顯微術;(b)近場光學顯微術。………………….5
圖2-1: 光入射介電質與金屬介面。…………………………. …..….11
圖2-2: I:為電磁波在界電物質傳播的色散關係曲線;SP:為表電漿的色散關係曲線。對於相同頻率的電磁波而言,表面電漿子具有較大的k值,所以單純入射的電磁波並無法激發表面電漿。……………………………………………………………......12
圖2-3: (a)光入射粒子時的消光效應;(b)不同粒徑有不同散射光為。…………………………………………………….........….14
圖2-4: 金之介電常數在不同波長的值,其中r為實部,I為虛部,實數部分代表查表所得到的巨觀固體(bulk)的介電數值實驗值。……………………………………………………..……….17
圖2-5: 小於二十分之一波長的粒子受電場作用可近似為靜電場….18
圖2-6: (a)為在n=1.551環境下,不同大小的金顆粒的吸收光譜(b)為20nm的金顆粒在不同環境下的吸收光譜。…………………………………………………………..20
圖4-1: 金粒子外層的負電荷可以穩定金粒子在溶液中………...…..27
圖4-2: 製備奈米金顆粒之流程圖……………………………...……..28
圖4-3: (a)將金粒子沈積在基板上的流程;(b)金粒子沈積在基板……………………………………………………………29
圖4-4: (a)光源由後往前打,不同粒徑大小顯現出不同顏色;(b)光源由下往上打,比較不同粒徑大小對光的散射能力不同;(c)金顆粒溶液的吸收光譜,不同粒徑有不同的大吸收峰值。…………………………………….………………………..32
圖4-5: 金粒子在基板上沈積的結果;(a)~(c)沈積時間分別為10分鐘、30分鐘和1小時;(d)為沈積30分鐘的AFM圖..…………………………………………………………..…34
圖4-6: 奈米金顆粒沈積在基板上的粒徑大小分佈圖.………………35
圖4-7: 奈米金顆粒在基板上與在溶液中的吸收光譜之比較….……35
圖4-8: (a)介面活性劑分子結構示意圖;(b)微胞之形變,大型球狀微胞不可能穩定存在,因其內部之空洞區域不穩定,所以會驅使微胞變形為棍狀或盤….....…………………..……...37
圖4-9: 製作金奈米圓柱的流程圖………………………………….....39
圖4-10: 金奈米圓柱的SEM圖……………………………………….40
圖4-11: 反應溫度約為70℃,有許多形狀的粒子產生,其中大部分的粒子呈現圓形或六角形…………………………………41
圖4-12: (a)倒立式顯微鏡及;(b)其收光機制………………………..43
圖4-13: 金的晶種在基板上成長為不同形狀的金顆粒……………...45
圖4-14: 奈米金顆粒由晶種經過兩個小時的成長結果。…………...46
圖4-15: 1~4分別代表不同區域奈米金顆粒隨著時間的成長,每一個影像皆為5�慆 x 5�慆。…………………………………....48
圖4-16: 三角形金粒子的成長過程。………………………………...50
圖4-17: (a)成長完畢的金粒子經過二次去離子水與酒精的清洗後,使用原子力顯微鏡來瞭解表面形貌;(b)比較與在溶液中的影像;(c)使用原子力顯微鏡來做高度的測量。……….….51
圖4-18: 對於偵測同一樣品,不同的收光位置有不同的收光模式。
………………………………………………………………..53
圖4-19: 成長兩小時後粒子在空氣中的影像,並以原子力顯微鏡來量測每一粒子的高度其中標上粒子的實際高度。…………..54
圖4-20: 相同區域的粒子在不同情況下的影像;(a)(c)(e)分別為在空氣、水、油中、其NA值為1.35;(b)(d)(f)為(a)(c)(e)在NA值約0.5的影像。…………….………….56
圖4-21: 不同的環境介質造成樣品與背景的對比不同;(a)當介質為空氣時,其中47.5o為光由玻璃出射到空氣的全反射臨界角度;(b)當介質為水時,其中62o為光由玻璃出射到水的全反射臨界角度。………………………………….………….58
圖4-22: 比較不同形狀與尺寸的奈米金顆粒在不同的介質環境下觀察到的反射光影像,每一影像為1�慆 x 1�慆。………………59
圖4-23: 不同尺寸的奈米金圓柱在不同介質環境下的反射光影像圓柱狀粒子的短軸決定了粒子對光的吸收,每一影像為
2.5�慆 x 2.5�慆。……………………………..………………..60
圖4-24: 不同的奈米金圓柱在水中不同偏振方向的結果,此為奈米金顆粒在水中以NA值為1.35觀察的結果,每一影像為
2.5�慆 x 2.5�慆。…………………………………………..…..62
圖 4-25: 不同的奈米金圓柱在空氣中不同偏振方向下的結果,並且比較不同NA的影響,每一影像為2.5�慆 x 2.5�慆。……….63
圖 4-26: (a)特殊的尺寸與其他的金圓柱有些微不一樣的變化;(b)相似高度的球形粒子與(a)做比較。……………………..65
圖 4-27: 暗視野的觀測的(a)儀器設備;(b)收光機制。……….66
圖4-28: (a)由暗視野的觀察可獲得奈米金顆粒的散射光影像,由散射光的影像可以推測其散射光波段;(b)不同波長的散射強度不同,每一影像為2�慆 x 2�慆。……………………..67
圖4-29: 不同環境下的暗視野觀察結果;(a)為在中氣中;(b)為在水的環境中;(c)為在油的環境中。………………….….69
圖4-30: 比較不同形狀與尺寸的奈米金顆粒在不同的介質環境下觀
察到的散射光影像,每一影像為1μm x 1μm。……………70
圖4-31: 不同入射光方向與不同幾何金粒子的結果,每一影像為
5�慆 x 5�慆。…………………………….…………………..72
圖4-32: 沿著長軸方向入射的散射結果;(a)降低曝光時間發現,粒子兩端散射出不同顏色的光;(a)相同的入射光方向,電場偏振方向垂直基板表面;(b)相同的入射光方向,電場偏振方向平行基板表面。…………………………………………74
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