Study of 2-D and 3-D Nanosphere Lithography for Optoelectronic Device and Sensor Applications

奈米球微影術乃是利用自組裝之方式在基板上堆疊出六方緊密週期排列奈米球，其可以把奈米球當做類似光阻之遮罩，並可藉由選擇奈米球大小來控制其週期尺寸；由於其所需設備費用及時間相對於半導體製程便宜且快速，且可應用的範圍很廣，因此是目前奈米製程技術研究的重點之一。而在奈米球的自組裝堆疊中，我們以旋鍍法堆疊出大面積緊密排列的單層奈米球，並且將其當作似光阻作用的遮罩，分別以濕式及乾式蝕刻在矽基板上製作出次波長金字塔結構的抗反射層，成功將反射率由原本的40~50%降至3%以下，另外也利用堆疊在透明基板的六方緊密週期排列單層奈米球製作出在可見光波段具高穿透表面電漿特性之金屬週期性孔洞薄膜。 而在三維蛋白石光子晶體方面，我們探討在不同環境下及奈米球表面帶電荷對堆疊的影響，讓我們對蛋白石的堆疊機制有更進一步的瞭解；另外提供一個可以快速製作二氧化矽反蛋石結構之方式，並以反蛋白石結構滲入金奈米粒子，由於要在微結構內均勻接著金奈米粒子而不聚集有一定難度，但我們找到最佳方式，製作出具三維金奈米粒子的光子晶體，此光子晶體同時具有光子能隙(PBG)及表面電漿(LSPR)之現象，而這兩個特性能個別偵測填入溶液之折射率及接著在金奈米粒子上的生物分子特性。最後我們在有機發光材料添加入光子晶體的實驗中，以液滴滴著法添加之方式，知道有機發光材料滲入光子晶體結構，則會使有機材料的發光波長在光子能隙波段會被侷限住，並且添加發光材料的蛋白石受激發光時會隨著偵測角度的不同，而使光的侷限波段改變，而且可藉由聚苯乙烯的能量轉移使發光強度增加，而能吸附發光材料的結構表面積愈多，能使發光材料能分散的表面積變大，亦能增強發光。Nanosphere lithography (NSL) is a novel method for the fabrication of hexagonal close-packed structures by self-assembly monolayer nanosphere array on flat substrates. Here the monolayer nanospheres are taked as etching mask layer like patterned resists. Furthermore, the period and dimension can be controlled by the size of nanospheres. Because of cheap, rapid, and extensive applications, it’s one of the important nanofabrication techniques. In the fabrication of monolayer nanosphere array, we fabricate large-area monolayer nanospheres by spin coating method and using as etching mask for the fabrication of sub-wavelength pyramid anti-reflection structure on silicon substrate by wet etching and dry etching processes. And the reflectance of silicon substrates can be reduced to 3%. Besides, we fabricate periodical metal hole-arrays which have high surface plasma transmission by deposition and lift-off processes on monolayer nanospheres. And in three-dimensional (3D) opal-like photonic crystal, we investigate the influence of different environments and nanospheres with different surface charge distribution on opal structures. Besides, we provide a rapid fabrication method of fabricating silica inverse opal structure. And we try to infiltrate gold nanoparticles (Au NPs) into inverse opal. It’s hard to catch Au NPs in 3D nano structure without aggregation, but we find the optimal parameter to fabricate inverse opal structure with adhered Au NPs uniformly. This photonic crystal have both photonic band gap(PBG) and localized surface plasma resonance (LSPR) effects, and the two properties in one structure can be used to probe the refractive index of infiltrated solution and the properties of bio-molecular which adhered on Au NPs. At last, we use drop coating method to add organic luminescence material on opal and find the luminescence wavelength at photonic band gap is confined by opal structures. When the detector angle is changed, the confined luminescence wavelength of opal which added organic luminescence material is also changed. Besides, the emission intensity can be enhanced by energy transfer of polystyrene and large surface area.摘 要 I Abstract II 誌謝 III 目 錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XV 第一章 序論 1 1.1 前言 1 1.2 論文架構 1 第二章 文獻回顧 3 2.1 微影術之簡介(Introduction of Lithography) 3 2.2 奈米球微影術(Nanosphere Lithography,NSL) 6 2.3 二維奈米球微影術 6 2.3.1 奈米球的自組裝方法 6 2.3.2 二維奈米球微影術的應用 10 2.4 太陽能電池的抗反射結構 11 2.5 三維奈米球微影術 14 2.5.1 光子晶體 15 2.5.2蛋白石光子晶體結構的製作 16 2.5.3 反蛋白石光子晶體結構的製作 17 2.6 具表面電漿特性的三維光子晶體介紹 19 2.7 金奈米粒子之特性 21 2.8 混摻有機發光材料之光子晶體 22 第三章 單層奈米球的製作與應用 25 3.1 研究動機與目的 25 3.2 實驗方法 26 3.2.1 實驗材料 26 3.2.2實驗儀器 26 3.2.3實驗步驟 27 3.3 單層聚苯乙烯球製作方法 29 3.3.1 傾斜滴著法 29 3.3.2 旋鍍法 33 3.4 利用單層奈米球製作次波長抗反射層 45 3.4.1 乾式蝕刻抗反射層 45 3.4.2 濕式蝕刻抗反射層 48 3.5 利用單層奈米球製作金屬週期性孔洞薄膜 50 3.6 單層奈米球的製作與應用總結 54 第四章 三維光子晶體接著金奈米粒子之研究 55 4.1 研究動機與目的 55 4.2 實驗方法 55 4.2.1實驗材料 55 4.2.2實驗儀器 56 4.2.3 實驗步驟 57 4.3 蛋白石結構之基本性質 59 4.4 蛋白石結構的堆疊 61 4.4.1 防潮箱與恆溫恆濕箱之比較 63 4.4.2 二元蛋白石結構之概念 63 4.4.3 表面電荷對堆疊之影響 63 4.5 反蛋白石結構 66 4.5.1 反蛋白石結構的製作 66 4.5.2反蛋白石結構的光子特性 69 4.6 金奈米粒子的合成與光學特性 71 4.7 在三維光子晶體內接著金奈米粒子的方式 72 4.7.1在室溫下接著金奈米粒子溶液在不同接著時間之探討 73 4.7.2 在50˚C下對接著效果在不同時間之探討 78 4.7.3 沸騰100˚C下對接著效果在不同時間之探討 81 4.7.4 稀釋不同濃度金奈米粒子對接著的影響 82 4.8 完整接著金奈米粒子的三維光子晶體光學特性 86 4.9 在結構中滲入溶液之測量與研究 88 4.10 三維光子晶體接著金奈米粒子總結 92 第五章 三維光子晶體添加有機發光物之研究 93 5.1 研究動機與目的 93 5.2 實驗方法 93 5.2.1 實驗材料 93 5.2.2 實驗儀器 94 5.2.3 實驗步驟 94 5.3 有機發光材料AMIP的光學性質 95 5.4 量測試片的準備 97 5.5 光子晶體的選擇 97 5.6 螢光光譜儀量測結果與討論 100 5.6.1 光子能隙對發光現象影響之研究 102 5.6.2 能量轉移之現象 111 5.6.3 表面積大小對發光強度的影響 113 5.7 三維光子晶體添加有機發光物研究總結 115 第六章 結論 116 6.1實驗結論 116 6.1.1單層奈米球的製作與應用 116 6.1.2 三維光子晶體接著金奈米粒子之研究 117 6.1.3 三維光子晶體添加有機發光物之研究 117 6.2 未來展望 117 參考文獻 11