不規則團粒經燒結後的形狀特性分析

本研究以濃縮過濾式奈米採樣器採集TEM與SEM樣品，並且使用影像分析軟 體(Image J)量測團粒的的原始微粒粒徑(d0)、最大投影寬(W)、最大投影長(L)與團 粒的投影面積(Aa)，在得知上述數據後便可計算出長寬比(aspect ratio, β) 與等投影 面積直徑(dproj)等參數。在過去的文獻中，Park et al. (2004)也分析了許多團聚柴油 微粒的形狀特性，結果顯示dproj都非常接近dm，β值則會隨著微粒變大而變大，其 中從50-220 nm分別的β值分別由1.5-3.4。Shin et al. (2009)分析了數顆dm為80與150 nm的銀團粒，如表4. 6所示。由該表可以發現在相同電移動度下，團聚銀微粒的dproj

也會非常接近dm，β值為1.71-1.79。

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表4. 6 電移動度粒徑為 30、80、150、250 與 300 nm 團聚銀微粒的 Lavg、Wavg、β 與dproj等形狀參數。

dm (nm) Lavg (nm) Wavg (nm) β dproj (nm) 30 42.5±10.3 25.5±6.0 1.72±0.47 28.7±3.5 80 206.7±76.8 135.7±78.5 1.70±0.55 81.0±10.2

140.1±25.9^a 83.4±18.9^a 1.77±0.5^a 75^a 150 267.2±62.9 184.1±41.7 1.71±0.41 142.3±21.6

321.6±65.7^a 186.4±37.1a 1.79±0.5^a 145^a 200 420.2±61.9 282.9±54.4 1.67±0.45 193.8±11.8 250 620.1±130.8 301.1±60.2 1.84±0.44 242.2±24.3 300 793.0±131.9 435.7±129.8 1.93±0.51 296.8±40.3

a Shin et al. (2009)之形態參數分析結果

本研究以 Image J 影像分析軟體分析未燒結時 dm為 30、80、150、200、250 與300 nm 的銀團粒的形狀參數(各個粒徑皆分析 50 顆以上)，包括 Lavg、Wavg、β 與dproj。圖4. 45 為不同粒徑下的團聚銀微粒 TEM 影像(其他 TEM 影像可參閱附錄，

在此僅以一張為代表)，可以發現除了 30 nm 的微粒之外，其他粒徑的團聚銀微粒 都很明顯是由許多顆原始銀微粒所組成，並且團聚的情況隨著dm的增大而越來越 嚴重。圖4. 46 為電移動度粒徑為 30、80、150、200、250 與 300 nm 的銀團粒經 過 800℃燒結後的 TEM 影像，由該圖可以發現當燒結溫度 800℃時，六種粒徑的 微粒形貌都由未燒結前的不規則狀融合成圓球狀。綜合上述銀團粒形貌結果、粒 徑變化結果、有效密度分析結果，本團隊發現當持續提高燒及溫度的同時，銀團 粒的形貌將會越來越接近圓球狀，直到燒結溫度達800℃，此時團粒的形貌已完全 融合成圓球狀。

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圖4. 45 未燒結的團聚銀微粒 TEM 影像：(a) 30 nm；(b) 80 nm；(c) 150 nm；(d) 200 nm；(e) 250 nm；(f) 300 nm。

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圖4. 46 經 800℃燒結(停留時間 2.8 秒)的銀微粒 TEM 影像：(a) 30 nm；(b) 80 nm；

(c) 150 nm；(d) 200 nm；(e) 250 nm；(f) 300 nm。

根據形狀參數的分析結果，我們發現較大的銀微粒將會有較大的Lavg、Wavg， 其中以Lavg與dproj作圖，如圖4. 47 所示，可得知微粒的 Lavg與dproj的關係為：

20 .

~ 1_proj

avg d

L (4.10)

149

在Shin et al. (2009)及 Park et al. (2004)也作了 Lavg與dproj的關係分別為L~dproj1.19與 L~dproj1.26。電移動度粒徑在30-200 nm 的 β 值則是在 1.67-1.1.72 之間，在此粒徑範 圍內，β 值的變化並沒有任何的趨勢性，此結果與 Shin et al. (2009)中的結果非常 相似。當微粒電移動度粒徑為250 nm 及 300 nm 後，β 值卻又有變大的情況。造成 上述結果的原因與團聚銀微粒內的原始微粒數目有關，所以本團隊就會對不同粒 徑的微粒進行原始微粒數目的分析，以釐清 β 值的變化與原始微粒數目是否有相 關性存在。由該上表4. 6 也可發現 dm為30、80、150、250 與 300 nm 團聚銀微粒 的dproj分別為28.7±3.5、81.0±10.2、142.3±21.6、193.8±11.8、242.2±24.3 及 296.8±40.3 nm，兩者的差距非常接近。

100 d_pa (nm) 100

1000

L (nm)

exprimental data

L=0.92*dpa 1.20

R=0.86

圖4. 47 最大投影長度(L)與等似投影面積粒徑(dproj)的關係。

此外，本研究也將上述結果與Shin et al. (2009)及 Lall and Friedlander (2006)的 結果進行比較，比較結果如圖4. 48 所示，可以發現本研究的結果與 Shin et al. (2009) 的實驗結果相近，dproj與dm之間皆為線性關係，而不是Lall and Friedlander (2006) 以理論估算的指數關係，原因可能為Lall and Friedlander (2006)在使用理論公式推 算時，假設微粒為完美的團粒並且假設團粒的體積不會因燒結或是核凝而改變，

進而造成粒徑大於200 nm 後 dproj就有低於實驗值的情況。

150

100 200 300

dm (nm) 100

200 300

dpa (nm)

Shin et al. (2009), singly charged particle Shin et al. (2009), doubly charged particle present work, singly charged particle Lall and Friedlander (2006).

圖4. 48 等似投影面積粒徑與電移動度粒徑的關係。