臺灣博碩士論文加值系統

本研究以一套可在掃描電子顯微鏡內部執行三維奈米機械操作之系統，進行奈米加工及測試研究，此系統整合壓電馬達、精密平台等設備，為一個四自由度的精密系統，包含X、Y、Z三軸及一個旋轉軸，具有在立體空間中進行奈米加工及測試的功能，並且可以執行奈米材料或結構的現地機械性質測試。理論模式係根據材料特性運用分子動力學模擬加工過程，採用Morse 勢能函數，結合牛頓第二定律，並預測分子的速度及位置，控制系統溫度，進行加工特性分析，並對於切削深度不同時，所移除的體積，以求得奈米加工的行為及特性。
在加工部分，以原子力顯微鏡使用的矽�眻敦w，在濺鍍金之玻璃上進行加工，並建立回授控制來提升加工的精確性，在加工方向X、Y軸利用軟體補償進給量與輸入參數之間的誤差，而在深度方面，則利用影像回授來控制加工深度。加工結果以原子力顯微鏡進行量測比對，並驗證分子動理學模擬結果，目前已具備製作奈米線並刻劃出清晰可辨的奈米文字，並用以使用過較頓的刀具配合影像回授控制將加工過的切屑移除以及製作微流道。
在材料測試部分，使用微波水熱法所合成的二氧化鈦奈米結構進行現地機械性質實測，將直徑100~150nm左右的二氧化鈦奈米線使用EBID的方式黏結於成對的原子力顯微鏡的探針上，利用電子顯微鏡所擷取的影像分析探針懸臂樑的變形量和二氧化鈦奈米線挫曲變化，結合以穿邃式電子顯微鏡量得的截面積，配合傳統挫曲公式即可反算出二氧化鈦奈米線的材料常數，目前所測得的二氧化鈦奈米線彈性係數約為16.312±1.052 GPa。

The present investigation describes about the applications of a four degrees of nano-manipulator system for three-dimensional nano-machining and nanomechanical characterization of nanoscale objects inside a scanning electron microscope (SEM). The nanomanipulation system consists of precisely machined platform, picomotors and monolithic-silicon-based tips which are generally used in atomic-force microscopes (AFM).
The manipulator system is used for two different applications,
(i) Nano machining of gold coated silicon substrate
(ii) Nanomechanical characterization of TiO2 nanowires (NWs)
In nano-machining, the AFM tip is used to pattern nano-materials such as gold (Au) coating on silicon. Image feedback control method is used for precise machining and the processed results are determined with AFM. Molecular dynamics simulation method is used to analyze the experimental results by considering different parameters such as cutting speed and volume remove for different cutting depth etc. Hence nano machining with the manipulator can produce nano-lines, readable nano-scale words and micro channels. Moreover, it can also chuck out the removed material from the sample surface.
The manipulator system is used to determine the elasticity co-efficient NWs by employing compression experiment. NWs are synthesized by microwave hydrothermal method. The electron beam induced deposition (EBID) method is used to clamp NWs to the AFM tips attached to the nanomanipulator platform inside the SEM vacuum chamber. The buckling instability of the NWs is studied by applying continuously increasing load on it and analyzed from a series of SEM image. The Young’s modulus of the NWs is determined using Euler buckling model. To measure the cross sectional area of the NWs, aluminum is coated on NWs to improve resolution of SEM images. The Young’s modulus of the NWs has been measured to be 16.31±1.05GPa.

目錄

中文摘要 I
英文摘要 III
致謝 V
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究目的 3
1-4 論文架構 4
第二章 分子動力學 5
2-1 分子動力學之物理模型與基本假設 5
2-1-1 物理模型 5
2-1-2 勢能函數 6
2-1-3 分子作用力與分子運動方程式 8
2-2 電腦模擬分析 9
2-2-1 週期性邊界條件 10
2-2-2 截斷勢能 11
2-2-3 Verlet 鄰近列表法 12
2-2-4 Gear五階預測修正法 14
2-2-5 初始條件設定 17
2-2-6 系統熱平衡 18
2-2-7 程式流程 19
第三章 實驗設備架設及實驗方法 21
3-1 掃描式電子顯微鏡(SEM) 22
3-2 奈米操作系統 24
3-2-1 奈米操作平台 24
3-2-2 探針 26
3-3 SEM外蓋 28
3-4 控制架構 29
3-5 實驗材料備製 30
3-5-1 奈米加工試片 30
3-5-2 奈米測試材料 30
3-6 實驗方法及流程 32
3-6-1 奈米加工流程 32
3-6-2 奈米測試流程 34
第四章 奈米加工 37
4-1 加工模擬結果 38
4-1-1 加工模擬 38
4-1-2 加工移除體積結果 39
4-2 X、Y軸進給量探討 40
4-2-1 切削長度預測 40
4-2-2 加工進給量補償 42
4-3 Z軸進給量探討 45
4-4 奈米操作應用 48
4-4-1 奈米文字 48
4-4-2 加工切屑移除 49
4-4-3 奈米元件－微流道 50
第五章 奈米材料機械性質測試 53
5-1 AFM探針性質量測 54
5-1-1 探針懸臂彈性係數量測 54
5-2 挫曲實驗 56
5-3 拉伸實驗 57
5-4 二氧化鈦奈米線截面積量測 58
5-5 分析結果 59
第六章 結論與展望 62
6-1 結論 62
6-2 建議與展望 63
第七章 參考文獻 65
個人簡歷 69

圖目錄

圖2-1 二體勢能函數與多體勢能函數示意圖 6
圖2-2 電腦模擬分析 9
圖2-3 週期性邊界條件 10
圖2-4 截斷半徑法示意圖 11
圖2-5 Verlet鄰近列表法示意圖 12
圖2-6 Verlet 鄰近列表法 13
圖2-7 程式流程圖 20
圖3-1 實驗設備示意圖 21
圖3-2 JEOL 日本電子 JSM-6300 22
圖3-3 樣品移動平台 23
圖3-4 系統元件(a)New Focus Picomotor 8301-V (b)8341-V 24
圖3-5 三維奈米操作系統 25
圖3-6 AFM探針BS-Tap300Al在SEM中的外觀 26
圖3-7 AFM探針NT-MDT CSG10在SEM中的外觀 27
圖3-8 SEM外蓋置換圖 28
圖3-9 二氧化鈦奈米線 (a),(b)TiO2奈米線於SEM下觀測結果 31
圖3-10 加工程序 32
圖3-11 奈米加工實驗操作流程 33
圖3-12 奈米測試程序 35
圖3-13 奈米測試實驗操作流程 36
圖4-1 奈米加工實驗關係圖 37
圖4-2 刀具對加工表面原子作用示意圖 38
圖4-3 切削深度與移除體積關係圖 39
圖4-4 步進量與移動距離關係圖 41
圖4-5 誤差量補償(a)第一次加工結果(b)誤差量補償後之加工結果 43
圖4-6 水平加工誤差量補償結果 43
圖4-7 向下加工誤差量補償結果 44
圖4-8 向上加工誤差量補償結果 44
圖4-9 Z軸控制加工(a)SEM影像控制進刀深度 45
圖4-10 AFM量測加工結果數據 45
圖4-11 AFM量測加工結果3D圖 46
圖4-12 AFM量測加工結果數據 46
圖4-13 加工結果與模擬結果比較圖 47
圖4-14 加工進刀過深 48
圖4-15 奈米文字 49
圖4-16 加工切屑移除 49
圖4-17 微流道加工示意圖 50
圖4-18 微流道3D量測圖 51
圖4-19 微流道(a)AFM量測結果 51
圖4-20 微流道(b)AFM量測數據 52
圖5-1 共振實驗(a)探針懸臂靜止狀態(b)共振狀態 55
圖5-2 探針共振頻率與彈性係數的特性曲線 55
圖5-3 挫曲試驗(a)初始狀態 (b)挫曲發生 57
圖5-4 拉伸試驗 58
圖5-5 二氧化鈦奈米線截面 58
圖5-6 二氧化鈦奈米線受力-端點距離關係圖(1) 59
圖5-7 二氧化鈦奈米線受力-端點距離關係圖(2) 60
圖5-8 二氧化鈦奈米線受力-端點距離關係圖(3) 60

表目錄

表2-1 鋁及金之物理參數 5
表2-2 Gear 預測修正係數表 16
表2-3 參數無因次化表 16
表3-1 JEOL 日本電子 JSM-6300性能 23
表3-2 機構各部分名稱及功能描述 25
表5-1 二氧化鈦奈米線測試結果 61

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