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原子力顯微鏡測量電雙層電位分布及離子濃度比值
 
     
 
技術名稱
Technology
原子力顯微鏡測量電雙層電位分布及離子濃度比值
發明人
Inventor
黃崧任, 吳政晏,
所有權人
Asignee
國立臺灣科技大學

專利國家
Country
申請號
Application No.
專利號
Patent No.
中心案號
Serial No.
中華民國 104143510 I571640 1040079TW0
 
點閱數:250
技術摘要:
隨著科技的發展,現今有越來越多奈米尺度的材料與裝置出現,範圍包含機電、材料、生醫以及能源等領域,由於在該尺度下材料或是裝置其離子、電子、電性性質與巨觀下相差甚遠,在奈米尺度下研究電雙層特性因此顯得日益重要,本創作目標為使用原子力顯微鏡,來測量固液界面上奈米尺度內之作用力轉為電雙層電位分布。
藉由原子力顯微鏡接觸設定中的力譜模式 (Spectroscopy mode),來測量氯化鈉、氯化鎂電解液在鍍金矽晶圓與玻璃晶片的表面作用力,由探針之進曲線與退曲線分別判斷電雙層電位分布、與緊密層厚度。另外,現今常使用波松茲曼方程 (Poisson Boltzmann,PB) 與修正後波松茲曼方程 (Modified Poisson Boltzmann,MPB) 來描述固液界面上電雙層電位分布,本創作以多重物理耦合模擬軟體 (COMSOL),分別以PB、MPB方程與原子力顯微鏡實驗得到的電位數值比對,藉此來評估原子力顯微鏡測量電雙層電位分布之合理性。
在表面作用力測量實驗中,分別在氯化鈉-鍍金矽晶圓、氯化鎂-鍍金矽晶圓、氯化鈉-玻璃晶片、氯化鎂-玻璃晶片上,發現到可能為緊密層厚度分別為0.779、0.784、0.751、0.684奈米,而在電雙層電位分布方面,界達電位在氯化鈉-鍍金矽晶圓、氯化鎂-鍍金矽晶圓、氯化鈉-玻璃晶片、氯化鎂-玻璃晶片依序為-33、-10、23、8毫伏特,與諸多文獻範圍一致。而在離子濃度與電位分布實驗中,分別在鈉、鎂離子濃度比為1:1、2:1、3:1、4:1、4:3、3:5中,與理論誤差值皆小於5%,值得注意的是在鈉、鎂濃度比為4:1時誤差高達8%,這或許是由於體積效應 (Steric effect) 導致,讓離子間有額外作用力而導致實驗誤差。
  本創作分別測量表面經由CMP (Chemical Mechanical Planarization)處理後的鍍金矽晶圓與玻璃晶片,在氯化鈉、氯化鎂電解液表面作用力,成功的將表面作用力轉為電雙層電位分布,由模擬發現該方法的合理性,另外由電荷守恆波松茲曼方程我們可推得固液界面上一價、二價離子之濃度,該技術未來可應用在離子通道、微生物燃料電池、微流道表面電性等領域之測量。



 
   




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