自組裝技術介紹

將單一粒徑之奈米球粉末加入水系或非水系溶液中，藉由奈米球之間 電雙層的交互影響形成具更單一分散的膠體懸浮液（Monodispersed

Colloidal Suspension），再利用自組裝製作膠體晶體技術製作立體的最密堆 積排列結構。最普遍被使用的方法為重力沈降法（Gravitational

Sedimentation）、溶液蒸發法（Solvent Evaporation）以及電泳

（Electrophoresis）。

重力沉降法（Gravitational Sedimentation）

重力沉降法【1-3】主要是讓懸浮液中的膠體粒子受到重力吸引的影響，

使膠體粒子將規則且更序的堆疊於容器內部的底端，並形成具更最密堆積 的膠體晶體結構。在 Ni 的研究團隊中利用重力沉降方式，將單一分散的 300 nm SiO2微球於室溫下，經過一個月的長時間進行 SiO2微球自組裝【3】，如 圖 2.1 所示，但獲得的膠體晶體仍然具更大量的缺陷存在。

重力沉降法製程雖為簡單，但膠體粒子沉降卻同時伴隨重力、布朗運

動及膠體晶體形成的影響。更許多因素會影響膠體粒子的堆疊，例如重力、

布朗運動及膠體粒子的大小、濃度、溶液密度或沉降速率等等。

一般而言，重力沉降法耗費的製程時間極為冗長，通常需花費數天甚 至數個禮拜之久，並且所獲得的膠體晶體含更大量的缺陷存在。

圖 2.1〆（a）重力沉降自組裝膠體晶體裝置示意圖，（b）及其利用重力沉降 所獲得的膠體晶體 SEM 顯微結構型貌【3】。

溶液蒸發法（Solvent Evaporation）

此自組裝膠體晶體的方式不外乎為將基板插入膠體溶液中，並且加熱 膠體溶液讓溶劑蒸發。此時膠體溶液會產生對流現象，再加上膠體粒子於 液體、空氣、基板三相交界處所形成的毛細管作用力，將會使得膠體粒子 於基板上產生吸引與堆疊組裝的效果，以此方式即可製備膠體晶體【4-6】。

利用溶液蒸發【4】所產生的膠體晶體步驟示意圖如圖 2 2，及利用溶液蒸 發所製作的膠體晶體 SEM 顯微結構如圖 2.3。

此方法可細分為兩個步驟，最初在三相接觸面位置的液體高度需下降 至與膠體懸浮液中的膠體粒子高度相當，當液體的高度再下降能使粒子突 出於液面時，此時膠體粒子之間以及膠體粒子和基板間的毛細作用力可以 讓粒子在基板上產生聚集的現象，進而出現局部區域的規則排列結構，此 效應類似於晶體的成核過程。第二步驟為膠體晶體的成長過程，液體在蒸 發過程中的對流現象，會把溶液中的粒子帶到三相交界的區域，再加上持 續的蒸發作用會導致液面不斷的下降，故膠體粒子將會以相同的毛細作用 聚集於晶體成核處。濃度增加時，規則排列的堆積厚度也會因此增加，故 可形成二維或是三維的膠體晶體結構。Im 等人【5】曾利用蒸發對流沉積法 來自組裝聚苯乙烯球，並且藉由改變基板與液面的夾角控制膠體晶體的厚 度，當改變基板的擺放角度時，也會同時改變液面與基板接觸線的形狀,故 會沉積出不同的厚度。Cong 等人【6】曾以此方法在不同的溫度下進行微 球的堆疊，結果顯示不同溫度下微球會產生不一樣的排列方式，而溫度過 高或過低皆會使排列呈現高度的雜亂。

圖 2 2〆利用溶液蒸發法製作膠體晶體流程示意圖。

圖 2.3〆液體蒸發技術在特殊膜板上製作（a-d）多層（e-f）單層膠體晶體奈 米線的 SEM 平面圖。（d）為奈米線底部的 SEM 剖面圖，（f）為單 層膠體晶體頂部的排列缺陷【4】。

電泳（Electrophoresis）-電極之間的微小距離電泳

電泳法可分為兩種，一為以電極之間的微小距離以及另一稱之為介電 泳。

大多數電泳自組裝的文獻中，幾乎皆以水系之電泳懸浮液為主。當施 加的外加直流電壓大於 2 V 之後可預期會發生電解水的反應（Water

Electrolysis），在兩極伴隨電解水反應所產生氫氣與氧氣的氣泡，會嚴重的 影響與破壞自組裝結構層。並且在兩極電極表面會更焦耳熱的產生，使得 膠體溶液中的環境與穩定性難以控制。一般使用更機溶劑作為溶劑可以避 避免此問題的產生。

時間短、可藉由電極表面的特殊設計而製作具更各種不同圖形的自組裝膠 體晶體，或藉由電極的設計製作出具更其他結構排列的膠體晶體【7-12】，

圖 2.4 與圖 2.5 為實驗裝置圖，而電泳結果如圖 2.6（a）所示，並且也可以 利用紫外光的照射來控制得到不同圖形分佈的膠體晶體如圖 2.6（b）所示。

然而，極小間距裝置的電泳自組裝的缺點為，在詴片的取出不容易，並且 容易造成詴片的損壞。同時難以製作較大面積的詴片，再者為詴片取出前 必頇等待整個電泳裝置液體的乾燥，造成了製程時間上的浪費。

圖 2.4〆為極小間距之電泳裝置並在電極上設計圖形，以進行區域電泳自組 裝【10】。

圖 2.5〆極小間距電泳裝置在電極上照射紫外光，以達到區域性的自組裝效 果【7】。

圖 2.6〆利用水平式之極小間距電泳裝置藉由（a）紫外光照射與（b）於電 極上製作模板形狀，所獲得具更的不同圖形自組裝層【7, 11】。

電泳（Electrophoresis）-介電泳

介電泳（Dielectrophoresis）又稱之為交流電泳（AC Electrophoresis），

顧名思義是用交流電所產生的非均勻電場進行電泳。介電泳大致上更三種

形式，一般介電泳（Conventional Dielectrophoresis）【13】、行進波介電泳

（Traveling-Wave Dielectrophoresis） 【14】以及電轉（Electrorotation） 【15】。

一般介電泳（Conventional Dielectrophoresis），其基本原理主要在非均 勻的電場中，因液體與粒子之間的介電係數不同，並藉由控制 AC 電場所改 變頻率及方向等而產生的泳動行為。

行進波介電泳（Traveling Wave Dielectrophoresis），為液體與膠體粒子 於電泳元件的管道內部時，粒徑較大的膠體粒子，因受外加非均勻電場的 作用力而使得膠體粒子於管壁面以翻滾的方式前進。然而較小粒徑的膠體 粒子會於管道的中央前進。

電轉（Electrorotation），則是在空間系統下使用四個不同的電極，並施 加 90^o的相位電壓訊號，受到此非均勻電場訊號的膠體粒子會隨著電壓相位 角的改變而產生旋轉的方式前進。

藉由上述的介電泳方式雖然可以進行膠體粒子的自組裝效果【16, 17】，

卻僅止於局部面積以及實驗性的研究，無法得到一更效的蛋白石晶體塊材。

因此，使用介電泳製作膠體晶體仍更很大的研究發展空間。