臺灣博碩士論文加值系統

在本研究中，主要使用分子動力學的方法來研究，而本研究包含理論模擬與實驗兩部份。在理論模擬部份，以分子動力學建構系統的物理模型，在進行模擬自組裝分子膜與金基板利用熱浸筆微接觸轉印與微接觸摩擦，探討自組裝分子膜與金基板的吸附影響及在轉印過程中成形機制與變形效應特性。為了更進一步增加運算效率，而利用粗晶法的擬合勢能概念，建立不同粗細晶格與原子交互作用下的新勢能。在實驗部份，先製作微接觸所需的印模，並塗佈上自組裝分子膜來進行自組裝分子膜與金基板的微接觸壓印和微接觸摩擦實驗，藉由實驗探討微接觸壓印和微接觸摩擦過程之數據。在將理論與實驗作一比較，歸納出微接觸壓印和微接觸摩擦過程中的吸附特性、機械特性及力學特性之最佳化參數與界面作用之機制，以用於之後金基板與自組裝分子膜應用於高科技上之製程參數。

In this study, mechanical characteristic of a thermal Dip-pen nanolithography of alkanethiol self-assembly monolayers (SAMs) were constructed on Au substrate molecular dynamics (MD) simulations. SAMs and substrate were performed and were investigated through MD simulations using the Lennard-Jones potential. In the theoretical simulation part, molecular dynamics construction of the physical model during simulated self-assembled monolayers and Au substrate using thermal dip-pen nanolithography microcontact transfer and micro-contact friction were investigated. Further more for increase the efficiency of operation, Dissipative Particle Dynamics (DPD) to fitting potential energy concept, the interaction of different thickness and atomic lattice potential. In the experimental part, first making contact with the required nanoindentation, and coated on to carry out SAMs and the Au substrate of nanocontact printing and nanocontact friction experiments. In the theoretical and experimental compare, summarize micro-contact printing and micro-contact friction in the process of adsorption characteristics, mechanical properties and mechanical properties of the optimal parameters of the role and mechanism of the interface to be used after the Au substrate and the self-assembly molecular membrane applied to high-tech on the process parameters.

摘要 ........................................................................................................................ i
Abstract ................................................................................................................. ii
誌謝 ...................................................................................................................... iii
目錄 ...................................................................................................................... iv
表目錄 ................................................................................................................ viii
圖目錄 .................................................................................................................. ix
符號說明 ............................................................................................................. xii
第一章 緒論 ......................................................................................................... 1
1.1 前言 ......................................................................................................... 1
1.2 文獻回顧 ................................................................................................. 1
1.2.1 分子動力學之文獻回顧 ............................................................... 1
1.2.2奈米接觸之文獻回顧 .................................................................... 4
1.2.3自組裝分子膜之文獻回顧 ............................................................ 5
1.3 研究動機與目的 ..................................................................................... 8
1.4 本文架構 ................................................................................................. 9
第二章 理論基礎 ............................................................................................... 12
2.1 分子動力學之基本理論與假設 ........................................................... 12
v
2.2 勢能函數介紹 ....................................................................................... 12
2.2.1 二體勢能函數 ............................................................................. 13
2.2.2 多體勢能函數 ............................................................................. 14
2.3 速度分佈法則 ....................................................................................... 15
2.4 原子級之應力 ....................................................................................... 16
2.5 滑移向量 ............................................................................................... 17
第三章 分子動力學數值模擬方法 ................................................................... 20
3.1 物理模型 ............................................................................................... 20
3.2 勢能函數的選擇 ................................................................................... 22
3.3 Lorentz-Berelot之結合律 ..................................................................... 26
3.4模擬參數與無因次化 ............................................................................ 26
3.5 週期邊界條件 ....................................................................................... 27
3.6 最小映像法則 ....................................................................................... 27
3.7 設定初始條件 ....................................................................................... 28
3.8 溫度修正方法 ....................................................................................... 29
3.9 運動方程式 ........................................................................................... 29
3.9.1 Gear五階預測修正法 ................................................................. 30
3.9.2 Verlet法 ....................................................................................... 31
3.10 截斷半徑法 ......................................................................................... 32
vi
3.10.1 Verlet表列法 ............................................................................. 33
3.10.2 Cell link表列法 ......................................................................... 33
3.10.3 Cell link表列法結合Verlet List表列法 .................................. 34
3.11 程式流程圖 ......................................................................................... 34
第四章 自組裝分子膜與金基板接觸研究 ....................................................... 45
4.1 變形機制過程 ....................................................................................... 45
4.2 基板傾斜效應 ....................................................................................... 46
4.3 鏈長效應 ............................................................................................... 47
4.4 深度效應 ............................................................................................... 47
第五章自組裝分子膜轉印金薄膜模擬結果探討 ............................................. 68
5.1變形機制過程 ........................................................................................ 68
5.2掃描探針熱浸筆奈米點轉印之溫度效應模擬 .................................... 69
5.3掃描探針熱浸筆奈米線轉印之模擬 .................................................... 70
5.3.1溫度效應 ............................................................................................. 70
5.3.2速度效應 ............................................................................................. 71
第六章 結論與建議 ........................................................................................... 83
6.1 結論 ....................................................................................................... 83
6.2 建議與未來展望 ................................................................................... 84
vii
EXTENDED ABSTRACT .................................................................................. 85
參考文獻 ............................................................................................................. 89
簡歷

表目錄
表 3-1 無因次化根據之物理參數表 ............................................................. 35
表 3-2 各種無因次化物理量 ......................................................................... 35
表 3-3 Gear預測修正法之修正參數值 ......................................................... 36
圖目錄
圖 1-1 不同尺度下運用的數值計算方法 ..................................................... 10
圖 1-2 DPD的粒子粗化示意圖 ..................................................................... 10
圖 1-3 自組裝分子結構 ................................................................................. 11
圖 1-4 烷基硫醇分子在金薄膜表面形成排列規則的自組裝分子膜......... 11
圖 2-1 原子間交互作用示意圖 ..................................................................... 19
圖 2-2 原子級之應力示意圖 ......................................................................... 19
圖 3-1自組裝分子膜帄衡角度示意圖 .......................................................... 37
圖 3-2自組裝分子膜與不同角度金基板之接觸示意圖 .............................. 37
圖 3-3掃描探針熱浸筆奈米點轉印示意圖 .................................................. 38
圖 3-4掃描探針熱浸筆奈米線轉印示意圖 .................................................. 38
圖 3-5 週期邊界條件示意圖 ......................................................................... 39
圖 3-6 最小映像法則示意圖 ......................................................................... 40
圖 3-7 截斷半徑示意圖 ................................................................................. 41
圖 3-8 Verlet表列法示意圖 ........................................................................... 41
圖 3-9 以兩個一維陣列儲存鄰近表列示意圖 ............................................. 42
圖 3-10 Cell link表列法示意圖 ..................................................................... 43
圖 3-11 Cell link結合Verlet表列法示意圖 ................................................. 43
圖 3-12 程式流程圖 ....................................................................................... 44

圖 4-1 傾斜金基板之物理模型 ..................................................................... 49
圖 4 -2 傾斜金基板5度時接觸距離1nm之13鏈自組裝分子膜模擬 .... 50
圖4-3 傾斜金基板10度時接觸距離1nm之13鏈自組裝分子膜模擬 .... 50
圖 4-4 傾斜金基板15度時接觸距離1nm之13鏈自組裝分子膜模擬 ... 51
圖 4-5 傾斜金基板20度時接觸距離1nm之13鏈自組裝分子膜模擬 ... 51
圖 4-6 金基板與13鏈自組裝分子膜距離1nm之剪切力力位移曲線 ..... 52
圖 4-7 金基板與13鏈自組裝分子膜距離1nm之正向力力位移曲線 ..... 52
圖 4-8 不同角度金基板與13鏈自組裝分子膜距離1nm之摩擦力 ......... 52
圖 4-9 傾斜金基板5度時接觸距離1nm之17鏈自組裝分子膜模擬 ..... 53
圖 4-10 傾斜金基板10度時接觸距離1nm之17鏈自組裝分子膜模擬 . 53
圖 4-11 傾斜金基板15度時接觸距離1nm之17鏈自組裝分子膜模擬 . 54
圖 4-12 傾斜金基板20度時接觸距離1nm之17鏈自組裝分子膜模擬 . 54
圖 4-13金基板與17鏈自組裝分子膜距離1nm之剪切力力位移曲線 .... 55
圖 4-14金基板與17鏈自組裝分子膜距離1nm之正向力力位移曲線 .... 55
圖 4-15不同角度金基板與13鏈自組裝分子膜距離1nm之摩擦力 ........ 55
圖 4-16 傾斜5度時接觸距離3nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ....... 56
圖 4-17 傾斜10度接觸距離3nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 56
圖 4-18 傾斜15度接觸距離3nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 57
圖 4-19 傾斜20度接觸距離3nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 57

圖 4-20 金基板與13鏈自組裝分子膜距離3nm之剪切力力位移曲線 ... 58
圖 4-21 金基板與13鏈自組裝分子膜距離3nm之正向力力位移曲線 ... 58
圖 4-22 不同角度金基板與13鏈自組裝分子膜距離3nm之摩擦力 ....... 58
圖 4-23 傾斜5度接觸距離3nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ........... 59
圖 4-24 傾斜10度接觸距離3nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 59
圖 4-25 傾斜15度接觸距離3nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 60
圖 4-26 傾斜20度接觸距離3nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 60
圖 4-27 金基板與17鏈自組裝分子膜距離3nm之剪切力力位移曲線 ... 61
圖 4-28 金基板與17鏈自組裝分子膜距離3nm之正向力力位移曲線 ... 61
圖 4-29 不同角度金基板與17鏈自組裝分子膜距離3nm之摩擦力 ....... 61
圖 4-30 傾斜5度接觸距離6nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ........... 62
圖 4-31 傾斜10度接觸距離6nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 62
圖 4-32 傾斜15度接觸距離6nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 63
圖 4-33 傾斜20度接觸距離6nm之13鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 63
圖 4-34 金基板與13鏈自組裝分子膜距離6nm之剪切力力位移曲線 ... 64
圖 4-35 金基板與13鏈自組裝分子膜距離6nm之正向力力位移曲線 ... 64
圖 4-36 不同角度金基板與13鏈自組裝分子膜距離6nm之摩擦力 ....... 64
圖 4-37 傾斜5度接觸距離6nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ........... 65
圖 4-38 傾斜10度接觸距離6nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 65

圖 4-39 傾斜15度接觸距離6nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 66
圖 4-40 傾斜20度接觸距離6nm之17鏈自組裝分子膜模擬過程 ......... 66
圖 4-41 金基板與17鏈自組裝分子膜距離6nm之剪切力力位移曲線 ... 67
圖 4-42 金基板與17鏈自組裝分子膜距離6nm之正向力力位移曲線 ... 67
圖 4-43 不同角度金基板與17鏈自組裝分子膜距離6nm之摩擦力 ....... 67
圖 5-1 不同溫度之奈米點轉印過程 ............................................................. 74
圖 5-2 不同溫度之氣化數與轉移數 ............................................................. 75
圖 5-3 不同溫度之接觸角 ............................................................................. 75
圖 5-4 自組裝分子膜奈米點在不同溫度的金基板上吸附能 ..................... 75
圖 5-5 不同溫度之奈米線轉印模擬過程 ..................................................... 77
圖 5-6 不同溫度的轉移厚度與長度 ............................................................. 78
圖 5-7 不同溫度的轉移數與氣化數 ............................................................. 78
圖 5-8 自組裝分子膜奈米線在不同溫度的金基板上吸附能 ..................... 78
圖 5-9 同溫度不同速度之奈米線轉印模擬過程 ......................................... 81
圖 5-10 不同速度的轉移之厚度與長度 ....................................................... 82
圖 5-11 不同速度的氣化數與轉移數 ........................................................... 82
圖 5-12 自組裝分子膜奈米線在不同速度的探針轉印金基板上吸附能 .. 82

[1] H. Hertz, Journal Reine und Angewandte Mathematik, 92, 156-171, 1882.
[2] W. C. Bigelow, D. L. Pickett, and W. A. Zisman, Journal of Colloid and Interface Science, 1, 513-538, 1946.
[3] J. H. Irving, and J. G. Kirkwood, Journal of Chemical Physics, 18, 817-829, 1950.
[4] I. N. Sneddon, International Journal of Engineering Science, 3, 47-57, 1965.
[5] R. G. Nuzzo, and D. L. Allara, Journal of the American Chemical Society,105, 4481-4483, 1983.
[6] J. B. Pethica, R. Hutchings, W. C. Oliver, Philosophical Magazine A, 48, 593-606, 1983.
[7] J. Tersoff, Physical Review Letters, 56, 632-635, 1986.
[8] J. Tersoff, Physical Review B, 37, 6991-7000, 1988.
[9] J. Tersoff, Physical Review Letters, 61, 2879-2882, 1988.
[10] J. Tersoff, Physical Review B, 39, 5566-5568, 1989.
[11] A. Ulman, An Introduction to Ultrathin Organic Films From Langmuir-Blodgett to Self-Assembly, Academic Press Boston, 1991.
[12] V. V. Pokropivny, V. V. Skorokhod, and A. V. Pokropivny, Materials Letters, 31, 49-54, 1997.
[13] J. Knap, and M. Ortiz, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 49, 1899-1923, 2001.
[14] K. C. Kwon, and S. K. Youn, International Journal of Solids and Structures, 43, 7450-7481, 2006.
[15] R. Delgado-Buscalioni, P. V. Coveney, Physica A, 362, 30-35, 2006.
[16] D. C. Rapaport, The Art of Molecular Dynamics Simulation, Cambridge University Press, London, 1997.
[17] D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation, Academic Press, San Diego, 1996.
[18] P. M. Ajayan, Chemical Review, 99, 1787-1799, 1999.
[19] 吳政達，多重粒子法與分子動力學應用於奈米轉印製程研究，國立成功大學博士論文，2008。
[20] 方俊男，自組裝分子膜之力學特性分析與實驗研究 ，國立虎尾科技大學碩士論文，2008。
[21] 黃建今，薄膜動態奈米壓痕之分子力學分析與實驗 ，國立虎尾科技大學碩士論文，2008。
[22] 黃進財，以分子動力學研究含砷化鎵半導體之機械特性，國立虎尾科技大學碩士論文，2009。
[23] 范育誠，奈米碳管探針應用於自組裝分子膜與碳膜之機械特性研究，國立虎尾科技大學碩士論文，2009。