臺灣博碩士論文加值系統

近年來因環保意識抬頭，以重金屬元素材料所組成之量子點奈米螢光探針受到挑戰，且以量子點材料為核心之應用也相同受到衝擊，如以量子點螢光為光源的發光二極體（Light-Emitting Diode，LED）、生醫標定、細胞追蹤、分子檢測等等，以環保材料所組成之螢光奈米探針漸漸受到科學家的重視，如以金為前驅物的螢光金量子團簇以及由碳、氧和氮等無毒元素所組成的螢光碳量子點等目前正在漸漸取代對生物環境具有淺在危害性的量子點材料。本研究利用具有藍色螢光之碳量子點(Carbon Quantum Dots，CQDs)以及具有黃色螢光之金量子團簇(Gold Quantum Clusters，AuQCs)，依特定比例混合後並且搭配紫外光以及藍色發光二極體，使其放出白色螢光，接著將白色螢光材料混入高分子溶液(Poly(ethylene glycol) diacrylate，PEGDA) 中並且加入光固化劑(2-Hydroxy-2-methylpropiophenone，HMPP)使高分子溶液在照射紫外光燈後固化形成薄膜，接著進一步利用具微結構之藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrate，PSS)壓印在螢光高分子薄膜上，使螢光高分子薄膜具有微結構，以解決螢光高分子薄膜折射率過大而產生光波導特性，藉此提升光萃取效率，最後將具微結構之螢光高分子薄膜封裝至紫外光以及藍光發光二極體中，形成白色發光二極體，希望在未來能夠應用在照明以及生醫相關應用。

Because of eco-friendly issues, quantum dot nano fluorescent probes composed of heavy metal materials encounter challenges. Applications of quantum dots materials also face impact, such as light-emitting diode emitting from quantum dots fluorescence, biomarker, cell tracking, molecule tests. Scientists increasingly emphasize on fluorescent nano probes composed of eco-friendly materials. Fluorescent gold quantum clusters based on gold precursor and fluorescent carbon quantum dots made up of carbon, oxygen, nitrogen have been replacing quantum dots materials with bio hazard. In this study, utilizing different ratios mixture of carbon quantum dots with blue fluorescence and gold quantum clusters with yellow fluorescence, violet light and blue light-emitting diode emits white fluorescence. Moreover, white fluorescent materials is added in polymer solution (PEGDA) containing curing agents (HMPP) and polymer solution is solidified under violet light to form a thin film.
Patterned sapphire substrate(PSS) with microstructures is imprinted on fluorescent the thin film to make the thin film have microstructures. Optical waveguide is solved due to thin film’s high refractive index and efficiency of light extract is further enhanced. At last, packing fluorescent polymeric thin films with microstructures into violet light and a blue light-emitting diode forms a white light-emitting diode to apply for illumination and biomedical applications in the future.

目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章、緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究目的 3
第二章、文獻回顧 4
2-1 螢光奈米探針 4
2-1.1 半導體量子點 4
2-1.2 螢光金量子團簇 7
2-1.3 螢光碳量子點 10
2-2高分子螢光薄膜 13
2-2.1 高分子螢光薄膜用於化學檢測 14
2-2.2 高分子螢光薄膜用於發光二極體 15
2-3 表面微結構 19
2-3.1表面微結構之光學特性 21
第三章、材料與方法 26
3-1 實驗架構 26
3-2 實驗步驟 27
3-2.1 藍色螢光金量子團簇合成 27
3-2.2 金量子團簇螢光特性調控 27
3-2.3 藍色螢光碳量子點合成 28
3-2.4 藍色螢光碳量子點配體置換 28
3-2.5 高分子螢光薄膜製備 29
3-2.6 利用藍寶石基板使高分子螢光薄膜具有微結構 29
3-2.7 利用色彩轉換法將紫外光發光二極體轉換為白光 30
3-2.8 利用色彩轉換法將藍色發光二極體轉換為白光 30
3-3 分析儀器 31
3-3.1 螢光光譜分析儀 31
3-3.2 紫外光-可見光吸收光譜動態分析儀 33
3-3.3 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy；TEM) 33
3-3.4 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM） 33
3-3.5 光譜儀(Spectrometer) 34
第四章、結果與討論 35
4-1 螢光金量子團簇螢光特性分析 35
4-1.1 以熱處理調控金量子團簇螢光波段之螢光特性分析 35
4-1.2 以紫外光調控金量子團簇螢光波段之螢光特性分析 37
4-1.3以熱處理(80℃)與紫外光調控金量子團簇螢光波段之螢光特性分析 40
4-1.4以熱處理(120℃)與紫外光調控金量子團簇螢光波段之螢光特性分析 43
4-1.5 螢光金量子團簇添加界面活性劑TOP之螢光特性分析 47
4-2 螢光碳量子點螢光特性分析 49
4-2.1 螢光碳量子點光譜調控 49
4-2.2 螢光碳量子點添加界面活性劑TOP之螢光特性分析 50
4-2.3 螢光碳量子點利用配體置換使其官能化 52
4-3 螢光金量子團簇影像分析 53
4-4 螢光碳量子點影像分析 55
4-5 高分子螢光薄膜特性分析 56
4-5.1高分子螢光薄膜影像分析 56
4-5.2 高分子螢光薄膜自體螢光分析 57
4-5.3 具微結構之高分子螢光薄膜之光萃取效率分析 59
4-5.4 螢光金量子團簇封裝至高分子薄膜之螢光特性分析 60
4-5.5 螢光碳量子點封裝至高分子薄膜之螢光特性分析 61
4-6 白色發光二極體螢光特性分析 63
4-6.1 紫外光發光二極體利用色彩轉換法成白色發光二極體 63
4-6.2 藍色發光二極體利用色彩轉換法成白色發光二極體 64
第五章、結論 66
參考文獻 67
附錄 71


圖目錄
圖2-1.半導體量子點會依粒徑不同而產生不同的螢光波段12。 5
圖2-2.水溶性量子點製備以及其生物接枝策略架構圖。 6
圖2-3.量子點之生物性螢光標記。 7
圖2-4.螢光金量子團簇合成方法。 8
圖2-5.利用光還原法合成螢光金量子團簇。 9
圖2-7.螢光金量子團簇之生物性標記。 10
圖2-9.螢光碳量子點能夠利用聲化學法以及微波合成法來合成 12
圖2-10.將具有藍色螢光之碳量子點以及綠色螢光蛋白(EGFP)與293T細胞共培養，觀察其螢光成像差別。 12
圖2-11.具有螢光高分子薄膜製備方式之架構圖24。 14
圖2-12.高分子螢光薄膜用於化學檢測。 15
圖2-13. 高分子螢光薄膜用於化學檢測。 15
圖2-14.為使發光二極體放出白光之示意圖。 17
圖2-15.為利用量子點具有電至發光之特性將三原色量子點封裝至發光二極體組件內，取代傳統的光子發射層。 17
圖2-16. 為利用量子點具有光至發光之特性將量子點封裝至薄膜內，並利用藍色發光二極體激發使其色彩轉換至白光。 18
圖2-17.利用色彩轉換法使發光二極體放出白光。 18
圖2-18.為白色的QD-LED背光源(插圖)應用在46英吋液晶電視面板的實體圖。 19
圖2-19.表面微結構製作示意圖。 20
圖2-20.具微結構之PDMS。 21
圖2-21.為在不同尺寸之表面微結構培養MC3T3-E1細胞並觀察細胞在24小時後吸附在微結構內。 21
圖2-22.為具有微結構之奈米壓印技術之示意圖。 23
圖2-23. 為利用發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）拍攝表面具有微結構之發光二極體。 24
圖2-24.為光路徑模擬之示意圖。 25
圖2-25.為光逃逸角錐之示意圖。 25
圖3-1.為實驗架構圖。 26
圖3-2螢光光譜儀軟體參數設定介面。 32
圖3-3螢光光譜儀軟體參數設定介面。 32
圖4-1.為藍色螢光金量子團簇之螢光光譜圖。 36
圖4-2.為綠色螢光金量子團簇之螢光光譜圖。 37
圖4-3.為黃色螢光金量子團簇之螢光光譜圖。 37
圖4-4.為藍色螢光金量團簇之螢光光譜圖以及藍色螢光金量團簇經由紫外光照射3小時後之螢光光譜圖。 39
圖4-5.為藍色螢光金量團簇經紫外光照射0~5小時其螢光光譜波段隨時間之變化。 39
圖4-6.為藍色螢光金量團簇經紫外光照射24小時並觀察其螢光光譜波段。 40
圖4-7.為藍色螢光金量團簇經油浴加熱(80℃)後之螢光光譜圖以及其經由紫外光照射3小時後螢光光譜圖。 42
圖4-8.為綠色螢光金量團簇經紫外光照射0~5小時其螢光光譜波段隨時間之變化。 42
圖4-9.為綠色螢光金量團簇經紫外光照射24小時並觀察其螢光光譜波段。 43
圖4-10.為藍色螢光金量團簇經由油浴加熱(120℃)後之螢光光譜圖以及其經由紫外光照射3小時後螢光光譜圖。 45
圖4-11.為黃色螢光金量團簇經紫外光照射0~5小時其螢光光譜波段隨時間之變化。 46
圖4-12.為黃色螢光金量團簇經紫外光照射24小時並觀察其螢光光譜波段。 46
圖4-13.藍色螢光金量子團簇添加界面活性劑TOP之螢光特性分析、藍色螢光金量子團簇經紫外光照射24小時並添加界面活性劑TOP以及藍色螢光金量子團簇添加界面活性劑TOP後照射紫外光24小時之螢光特性分析。 48
圖4-14. 經油浴加熱(80℃、120℃)處理後的螢光金量子團簇添加界面活性劑TOP後照射紫外光24小時後之螢光特性分析以及比較。 48
圖4-15.為螢光碳量子點依加熱時間不同會使螢光碳量子點粒徑成長並導致螢光波段位置紅位移 50
圖4-16.為螢光碳量子點依加熱時間不同會使螢光碳量子點粒徑成長並導致螢光波段位置紅位移之螢光光譜圖。 50
圖4-17.為加熱時間之螢光碳量子點添加界面活性劑TOP對螢光碳量子點之影響。 51
圖4-18.為螢光碳量子點依加熱時間不同添加界面活性劑TOP對螢光碳量子點影響之螢光光譜圖。 52
圖4-19.為螢光碳量子點之實體圖。 53
圖4-20.為螢光碳量子點以及螢光碳量子點混和AEMA並攪拌24小時之螢光光譜圖。 53
圖4-21.經紫外光照射24小時後之金量子團簇於穿透式電子顯微鏡下觀察其粒徑。 54
圖4-22.油浴加熱(80℃)並照射紫外光照射24小時之金量子團簇於穿透式電子顯微鏡下觀察其粒徑。 55
圖4-23.油浴加熱(120℃)並照射紫外光照射24小時於穿透式電子顯微鏡下觀察其粒徑。 55
圖4-24. 螢光碳量子點於穿透式電子顯微鏡下觀察其粒徑。 56
圖4-25.為具微結構之藍寶石基板以及經其壓印過後的具微結構之高分子薄膜拍攝掃描式電子顯微鏡並觀察其結構。 57
圖4-26.為藉由調控摻入高分子溶液(PEGDA)之光固化劑(HMPP)之比例來調控其自體螢光強度之實體圖。 58
圖4-27.為藉由調控摻入高分子溶液(PEGDA)之光固化劑(HMPP)之比例來調控其自體螢光強度之螢光光譜圖。 59
圖4-28表面是否具有微結構之高分子螢光薄膜螢之光特性分析。 60
圖4-29.為螢光金量子團簇封裝至高分子薄膜內並調控螢光金量子團簇摻雜比例之實體圖。 61
圖4-30.為螢光金量子團簇封裝至高分子薄膜內並調控螢光金量子團簇摻雜比例之螢光光譜圖。 61
圖4-31. 為螢光碳量子點封裝至高分子薄膜內並調控螢光碳量子點摻雜比例之實體圖。 62
圖4-32. 為螢光碳量子點封裝至高分子薄膜內並調控螢光碳量子點摻雜比例之螢光光譜圖。 62
圖4-33.為紫外光發光二極體色彩轉換至白光之色度座標。 64
圖4-34.為紫外光發光二極體色彩轉換至白光之螢光波段位置。 64
圖4-35. 為藍色發光二極體色彩轉換至白光之色度座標。 65
圖4-36.為藍色發光二極體色彩轉換至白光之螢光波段位置。 65

附錄圖1.為藍色螢光金量子團簇之激發光及螢光光譜圖。插圖左為藍色螢光金量團簇經紫外光照射下之實體圖，插右為藍色螢光金量子團簇經白光照射下之實體圖 。 75
附錄圖2.為黃色螢光金量子團簇之激發光及螢光光譜圖。插圖左為黃色螢光金量團簇經紫外光照射下之實體圖，插右為黃色螢光金量子團簇經白光照射下之實體圖 。 75
附錄圖3.黃色螢光金量子簇於穿透式電子顯微鏡下觀察其粒徑。 76
附錄圖4.黃色螢光金量子簇於穿透式電子顯微鏡下觀察其粒徑。 77
附錄圖5.黃色螢光金量子簇與封裝後的黃色螢光金量子簇進行載子生命週期分析之時間解析光激螢光譜。 78
附錄圖6.由460nm激發之黃色螢光金量子簇對於不同溫度其螢光強度改變之光譜圖。插圖為對波段550nm進行正規化比較其在不同溫度下螢光強度之變化。 79
附錄圖7.黃色螢光金量子簇之活化能。 80
附錄圖8.利用不同電流激發含有金量子簇之發光二極體並觀察其光譜圖變化。 81
附錄圖9.利用不同電流激發含有金量子簇之發光二極體並觀察其色度座標(CIE1931)變化。 82
附錄圖10.利用不同電流激發含有金量子簇之發光二極體並觀察其色溫及色彩演色指數的變化。 82
附錄圖11.利用不同體積之金量子簇封裝至發光二極體並觀察其光譜圖變化。 84
附錄圖12.利用不同體積之金量子簇封裝至發光二極體並觀察其色度座標變化。 85
附錄圖13.利用不同體積之金量子簇封裝至發光二極體並觀察其色溫及色彩演色指數變化。 85
附錄圖14.利用不同濃度之金量子簇封裝至發光二極體並觀察其光譜圖變化。 87
附錄圖15.利用不同濃度之金量子簇封裝至發光二極體並觀察其色度座標變化。 88
附錄圖16.利用不同濃度之金量子簇封裝至發光二極體並觀察其色溫及色彩演色指數變化。 88
附錄圖17.YAG黃色螢光粉封裝至藍色發光二極體之放光光譜圖。 90
附錄圖18. 黃色螢光金量子簇封裝至藍色發光二極體之放光光譜圖。 91
附錄圖19. YAG黃色螢光粉以及螢光金量子簇摻雜至發光二極體之色度座標。 91

附錄表 1. 為利用不同電流激發含有金量子簇之光二極體色度座標、溫及彩 為利用不同電流激發含有金量子簇之光二極體色度座標、溫及彩 為利用不同電流激發含有金量子簇之光二極體色度座標、溫及彩 演色指數的變化。 83
附錄表 2. 為利用不同體積金量子簇之發光二極色度座標、溫及彩演指數的變 為利用不同體積金量子簇之發光二極色度座標、溫及彩演指數的變 為利用不同體積金量子簇之發光二極色度座標、溫及彩演指數的變化。 86
附錄表 3. 為利用不同濃度金量子簇之發光二極體色座標、溫及彩演指數的 變化。 89
附錄表 4. 為比較 YAGYAGYAG黃色 螢光粉以及金量子簇摻雜至發二極體之度座標、色 螢光粉以及金量子簇摻雜至發二極體之度座標、色 螢光粉以及金量子簇摻雜至發二極體之度座標、色 螢光粉以及金量子簇摻雜至發二極體之度座標、溫及色彩演指數。 92

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