第四章 結果與討論
4.1.1 塑膠混合模具製作
4.1.2.2 二氧化矽膠體比例對孔洞薄膜成形的影響
我們調配佔總重不同比例的二氧化矽膠體乳液溶液，經130 ℃持溫 20 分鐘烘乾成膜於矽基材上，將試片分析表面形貌。電子顯微鏡分析試 片需要鍍金120 秒的前處理，結果如圖 51 所示，依據不同濃度(a)8 wt%，
(b)11 wt%，(c)13 wt%，(d)15 wt%，(e) 17 wt%，(f) 19 wt%，(g)20 wt%，
(h)22 wt%，(i)23 wt%，表面將會有不同形貌表徵。由結果可以知道濃度 在11 wt%(b)~ 17 wt%(e)皆可觀察到規則排列的孔度，此時的高分子乳液
對表面形貌與相分佈做分析，結果如圖53。於圖上很明顯可以見到二氧 化矽膠體濃度為13 wt%與 15 wt%時具有非常清晰的孔洞結構，但在 SEM 圖51 的影像中卻相當不明顯，造成此項差異的原因就在於試片是否經過 鍍金。由AFM 分析其孔洞深度得知孔洞深度約為 2.18 nm，如圖 54 (a)，
這代表孔洞深度很淺，這會造成在SEM 影像底下孔洞輪廓不是很清晰，
若再經過鍍金步驟極可能造成孔洞被填平而更難觀察到孔洞結構。
將AFM 與 SEM 結果做比較可以得到相同的結果，當二氧化矽膠體 溶液濃度在11 wt%~ 17 wt%之間，皆可以形成規則孔洞排列。但是當濃 度提高至19 wt%時，高分子乳液開始散亂排列，並造成深淺不一的孔洞 而造成試片表面起伏增加，如圖53 (e3)。藉由 AFM 相分佈的影像掃描，
有助於測量孔洞的間距，如圖54 (b) 多孔薄膜相分布與橫截面分析，可 以得到孔洞間距離約為404 nm，而高分子乳液粒徑為 429 nm，此孔洞距 離可以解釋成高分子乳液是處於最密堆積，而404 nm 略比 429 nm 小的 原因可能在於計算誤差以及立體空間位置補償導致。從AFM 的立體結構 影像可以發現此多孔薄膜厚度並不均勻，這表示旋轉塗佈在此成膜製程 中並不是一個良好的方式，這是需要日後實驗加以改進的。
圖 51 多孔薄膜 SEM 分析結果，不同二氧化矽膠體溶液比例(a)8 wt%，
(b)11 wt%，(c)13 wt%，(d)15 wt%，(e) 17 wt%，(f) 19 wt%，(g)20 wt%，
(h)22 wt%，(i)23 wt%，對孔洞成膜之影響
圖 52 多孔薄膜成膜機制，CASE1 為高分子乳液形成最密堆積排列之孔 洞薄膜，CASE2 為高分子乳液散亂排列之孔洞薄膜
圖 53 多孔薄膜 AFM 表面形貌分析、相分布分析與立體結構分析，不同 二氧化矽膠體溶液比例(a1~a3) 11 wt%，(b1~b3) 13 wt%，(c1~c3) 15 wt%，(d1~d3) 17 wt%，(e1~e3) 19 wt%，對孔洞成膜之影響
圖 54 AFM 橫截面分析，15 wt%二氧化矽膠體溶液的(a)多孔薄膜表面形 貌與橫截面分析，(b)多孔薄膜相分布與橫截面分析
欲了解孔洞薄膜的元素組成分佈，因此將二氧化矽膠體濃度為 17 wt%的試片進行元素能量分析(EDS)，圖 55 (b)呈現結果有三元素:碳、氧、
矽。碳能量峰的來源為高分子乳液以及未完全水解的TEOS。矽能量峰的 貢獻者為二氧化矽膠體，從元素能量分析圖中顯示碳、氧、矽的分布看 不出特有的規則與區域，但可以確定的是二氧化矽膠體與高分子乳液的 混合情況良好。矽元素分佈圖(如圖 55(e)所示)顯示二氧化矽分布均勻，
乾燥前高分子乳液自組裝排列分散於二氧化矽膠體內，二氧化矽膠體溶 液經乾燥後會交聯成網狀薄膜，同時伴隨著奈米孔隙的產生，溶膠凝膠 法的特色就是薄膜會具有奈米等級孔隙。高分子乳液則在乾燥過程中因
高溫而可流動，所以能夠填補於二氧化矽內的孔隙內，使得原先高分子 乳液佔據的球型空間因高分子流動而釋出。
圖 55 多孔薄膜元素分析(a)多孔薄膜 SEM 影像，(b)元素分析結果，(c) 針對C 元素分布作圖，(d)針對 O 元素分布作圖，(e)針對 Si 元素分布作 圖