臺灣博碩士論文加值系統

I
摘要
本論文目的是利用表面電漿共振頻譜量測技術研究氧化銀奈米
薄膜之光學性質。由於表面電漿共振具有高靈敏性，而且非接觸式的
量測方式不會破壞薄膜，因此我們建立一個表面電漿共振頻譜量測系
統。氧化銀奈米薄膜溫度升高後會發生分解，為了瞭解其奈米薄膜材
料受熱的變化，利用此系統來量測其受熱後反射率的改變。實驗中在
所選定的入射角度下藉由不同雷射功率來加熱氧化銀奈米薄膜，來量
測到反射率曲線的變化。在計算反射率方面，首先利用最大熵原理來
得到相位補償，然後由相位補償得到氧化銀奈米薄膜的反射係數，最
後完成研究氧化銀奈米薄膜的光學性質。
同時也使用此系統來探討奈米金顆粒溶液，量測反射率曲線在不
同溶液濃度情況下的變化，最後計算反射率而得到反射係數。
films.

Abstract

The goal of the thesis is to study the optical properties of AgOx nano thin films by spectral surface plasmon resonance measurement. Because surface plasmon resonance is very sensitive and does not destroy the thin films by non-contact measurement，we therefore established a spectral surface plasmon resonance measurement system. AgOx nano thin films can be decomposed with the increment of ambient temperature. In order to understand the change of nano thin films material，we measured the change of reflectivity by this system. In our experiment，we heated the AgOx nano thin films under the selected incident angles by different laser powers and measured the change of the reflectivity curves. In theoretical computation，first we used maximum entropy principle to obtain the phase retrieval and then obtain the reflectivity of the AgOx nano thin films.
We also used this system to study the optical properties of Au nano particle solution and measured the change of reflectivity curves with different solution concentrations. Finally we calculated the reflectance and obtained the reflectivity of the solution.

III
目錄
中文摘要........................................ Ⅰ
英文摘要........................................ Ⅱ
目錄............................................ Ⅲ
圖目錄.......................................... Ⅵ
表目錄.......................................... XI
第一章緒論........................................... 1
1.1 前言............................................. 1
1.2 光學儲存媒體發展歷史............................... 2
1.3 近場光學和近場光學記錄發展......................... 8
1.3.1 遠場光學的繞射極限.......................... 8
1.3.2 近場光學發展歷史............................ 10
1.3.3 近場光學記錄發展............................. 11
1.3.4 超解析近場結構............................... 11
1.4 表面電漿共振簡介.................................. 16
第二章基本理論....................................... 19
2.1 氧化銀奈米薄膜基本性質............................ 19
2.1.1 氧化銀奈米薄膜結構的熱解現象................. 21
IV
2.2 奈米金屬顆粒吸收光譜.............................. 24
2.2.1 古典靜電場理論............................... 24
2.2.2 數值模擬和實驗文獻.......................... 29
2.3 表面電漿共振理論.................................. 33
2.4 表面電漿傳播向量函數.............................. 35
2.5 色散曲線.......................................... 38
2.6 激發表面電漿共振方法.............................. 40
2.7 表面電漿共振在多層系統的反射率.................... 42
2.7.1 二層系統的反射係數........................... 42
2.7.2 三層系統的反射係數.......................... 43
2.8 表面電漿共振頻譜量測技術.......................... 44
2.8.1 表面電漿共振頻譜量測技術量測部分............. 45
2.8.2 表面電漿共振頻譜量測技術理論計算部分......... 48
第三章實驗架構....................................... 53
3.1 奈米金顆粒溶液量測................................ 53
3.2 氧化銀奈米薄膜量測................................ 56
第四章實驗結果與討論................................. 61
4.1 光源波長量測與Polarizer 設定........................ 61
4.2 耦合稜鏡選定...................................... 64
V
4.3 奈米金顆粒溶液基本性質量測........................ 70
4.4 奈米金顆粒溶液濃度量測............................ 72
4.5計算奈米金顆粒溶液濃度量測數據..................... 73
4.6 氧化銀奈米薄膜量測................................ 75
4.7 計算氧化銀奈米薄膜量測數據........................ 84
第五章結論........................................... 88
參考文獻............................................... 90
VI
圖目錄
第一章緒論
圖1-1 CD與DVD尺寸示意圖............................... 3
圖1-2 CD-R 結構和記錄前後示意圖......................... 4
圖1-3 相變化光碟片結晶非結晶示意......................... 5
圖1-4 (a)CD 和DVD 容量大小比較；(b)尺寸比較示意圖......... 6
圖1-5 Rayleigh 準則示意圖................................. 9
圖1-6 繞射極限示意圖................................ 9
圖1-7 近場光學顯微術示意圖........................... 10
圖1-8 傳統近場光學記錄和超解析近場結構示意圖........... 12
圖1-9
(a)使用銻薄膜的超解析近場結構光碟片示意圖；(b)超解析
近場結構光碟片在低功率（曲線A）和高功率（曲線B）訊
號強度比較...................................
13
圖1-10
(a)使用氧化銀奈米薄膜結構的超解析近場結構光碟片示意
圖；(b)記錄點大小和信號強度CNR 值示意圖...........
15
第二章基本理論
圖2-1
（a）使用不同雷射功率，氧化銀奈米薄膜結構的近場穿透
訊號強度分佈；（b）不同入射雷射功率，玻璃和氧化銀奈米
VII
薄膜結構穿透光點的近場光強度峰值比較...............
19
圖2-2
氧化銀奈米薄膜結構橫截面的穿遂式電子顯微鏡影像，薄膜
結構為ZnS-SiO2（20nm）、AgOx（15nm）、ZnS-SiO2.........
21
圖2-3
（a）厚度5nm AgOx，由室溫到600℃穿透強度；（b）厚度
5nm、15nm的Ag和AgOx最大吸收波長位置圖...........
22
圖2-4 AgO、Ag2O、Ag隨溫度升高比例變化圖................. 23
圖2-5 AgOx 溫度和分解率變化圖........................... 23
圖2-6 奈米金屬球和波作用準靜態近似示意圖................. 25
圖2-7 利用數值模擬計算奈米銀橢球的表面電漿共振吸收位置... 30
圖2-8
利用M-G theory 模擬計算當f=0.3、0.12 和0.05 時奈米複合
物薄膜的吸收光譜...................................
32
圖2-9 表面電漿共振圖..................................... 34
圖2-10 入射光極化方向與強度衰減關係曲線圖................. 35
圖2-11 表面電漿傳播示意圖................................. 36
圖2-12 結構示意圖......................................... 38
圖2-13 色散關係式的模擬圖................................. 40
圖2-14 稜鏡耦合器......................................... 41
圖2-15 波向量與電磁場關係圖............................... 42
圖2-16 三層反射系統結構圖................................. 43
VIII
圖2-17 表面電漿共振頻譜量測技術架構圖..................... 45
圖2-18 氧化銀奈米薄膜量測實驗架構圖....................... 48
第三章實驗架構
圖3-1 奈米金顆粒溶液量測實驗架構圖....................... 54
圖3-2 CVI DK240 光譜儀控制面版.......................... 55
圖3-3 (a)控制電壓和增益。(b)控制Slit 寬度.................... 56
圖3-4 奈米金顆粒溶液樣品結構圖........................... 56
圖3-5 氧化銀奈米薄膜樣品結構圖........................... 58
圖3-6 氧化銀奈米薄膜量測實驗架構圖....................... 59
圖3-7 氧化銀奈米薄膜量測實驗系統......................... 60
第四章實驗結果與討論
圖4-1 鹵素燈泡波長-強度曲線圖............................ 61
圖4-2 沒有加上Polarizer 架構的波長-強度曲線圖.............. 62
圖4-3 加上Polarizer 架構的波長-強度曲線圖紋影像............ 62
圖4-4
入射光TE 極化，使用SF11 稜鏡在入射角度55 度的反射率
圖...............................................
63
圖4-5
入射光TM 極化，使用SF11 稜鏡在入射角度55 度的反射
率圖...............................................
64
IX
圖4-6 使用Quartz 材質的稜鏡在入射角度45 度的反射率圖...... 65
圖4-7 使用Quartz 材質的稜鏡在入射角度50 度的反射率圖...... 65
圖4-8 使用Quartz 材質的稜鏡在入射角度55 度的反射率圖...... 66
圖4-9 使用BK7材質的稜鏡在入射角度45 度的反射率圖........ 66
圖4-10 使用BK7材質的稜鏡在入射角度50 度的反射率圖........ 67
圖4-11 使用BK7材質的稜鏡在入射角度55 度的反射率圖........ 67
圖4-12 使用SF11 材質的稜鏡在入射角度45 度的反射率圖....... 68
圖4-13 使用SF11 材質的稜鏡在入射角度50 度的反射率圖....... 68
圖4-14 使用SF11 材質的稜鏡在入射角度55 度的反射率圖....... 69
圖4-15 奈米金顆粒溶液吸收光譜............................. 71
圖4-16 奈米金顆粒溶液穿透光譜............................. 71
圖4-17 奈米金顆粒溶液不同濃度波長-反射率比較圖............ 72
圖4-18 奈米金顆粒溶液不同濃度反射係數實數部分比較圖....... 73
圖4-19 奈米金顆粒溶液不同濃度反射係數虛數部分比較圖....... 74
圖4-20 雷射功率0W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖....... 75
圖4-21 雷射功率0.5W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖...... 76
圖4-22 雷射功率1W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖....... 76
圖4-23 雷射功率1.5W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖...... 77
圖4-24 雷射功率2W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖....... 77
X
圖4-25 雷射功率2.5W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖...... 78
圖4-26 雷射功率3W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖....... 78
圖4-27 雷射功率3.5W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖...... 79
圖4-28 雷射功率4W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖....... 79
圖4-29 雷射功率4.5W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖...... 80
圖4-30 雷射功率5W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖....... 80
圖4-31 雷射功率5.5W 時，不同入射角度波長-反射率比較圖...... 81
圖4-32 入射角45 度時，不同雷射功率波長-反射率比較圖........ 82
圖4-33 入射角50 度時，不同雷射功率波長-反射率比較圖........ 82
圖4-34 入射角55 度時，不同雷射功率波長-反射率比較圖........ 83
圖4-35 入射角45 度時，不同雷射功率反射係數實數部分比較圖... 84
圖4-36 入射角45 度時，不同雷射功率反射係數虛數部分比較圖... 85
圖4-37 入射角50 度時，不同雷射功率反射係數實數部分比較圖... 85
圖4-38 入射角50 度時，不同雷射功率反射係數虛數部分比較圖... 86
圖4-39 入射角55 度時，不同雷射功率反射係數實數部分比較圖... 86
圖4-40 入射角55 度時，不同雷射功率反射係數虛數部分比較圖... 87
XI
表目錄
第一章緒論
表1-1 CD和DVD規格比較表............................... 7
表1-2 各種儲存光碟格式的參數比較表....................... 16

參考文獻
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