OTS 自組裝薄膜結果與最佳製備條件

由上小節AFM影像決定基材在進行自組裝薄膜前所需的前置工 作。將平坦的矽晶片平整放入無水OTS溶液之中，給予不同浸泡時間 觀察自組裝薄膜成長結果。圖4-7～4-9分別為浸泡時間1.5小時、84 小時與7天之後的AFM影像。

圖4-7 OTS的AFM影像，樣品條件為無水OTS溶液浸泡1.5小時。

0.545 nm

2.421 nm

圖4-8 OTS的AFM影像，樣品條件為無水OTS溶液浸泡84小時。

圖4-9 OTS的AFM影像，樣品條件為無水OTS溶液浸泡7天。

0.829 nm

2.091 nm

1.550 nm

4.856 nm

無水OTS溶液浸泡1.5小時AFM影像（圖4-7）可以觀察有許多點 相對於其他表面為高，對於這些點高度分析發現其高度約在1.5~2.4 nm範圍。由文獻資料可知OTS分子成長在二氧化矽表面高度大約2.43

nm^51,75。透過文獻與實驗結果可以推論這些高點應該就是OTS分子成

長在二氧化矽表面上，但是並沒有蓋滿表面。無水OTS溶液浸泡84小 時AFM影像（圖4-8）可觀察到樣品具有平坦的表面，但在這平坦表 面可以找到部分高度不太一樣的部分，這高度大約為2.4 nm根據前面 所敘述這些高點也是OTS。無水OTS溶液浸泡7天AFM影像（圖4-9） 可以看到類似小山丘高度在表面形成，而高度（2.4 nm~7.2 nm）為 OTS高度的整數倍數。

上述AFM影像顯示在三種條件下製備的OTS形貌並未達到很好 的程度，因為不論是浸泡時間長短都仍然可以在表面上觀察到許多明 顯高點存在。為了有平坦且幾乎沒有缺陷的自組裝表面將浸泡時間更 改為48小時並且以AFM觀察表面狀況結果如圖（4-10）。無水OTS溶 液浸泡48小時結果相當的理想，其表面均方根粗糙度只有0.748 nm相 對於其他浸泡時間有更平坦的表面，浸泡48小時成長的OTS自組裝薄 膜為之後一系列實驗條件。

圖4-10 OTS的AFM影像，樣品條件為無水OTS溶液浸泡48小時。

0.748 nm

另一方面，在有水OTS溶液條件（水濃度為OTS濃度的10倍）之 下，取其AFM圖形，浸泡時間控制為3天與7天，結果如圖4-11與4-12。 由這兩張結果可以明顯看到在此條件下OTS會形成呈現石筍狀高度 差異很大的表面。這樣的結果與上面不刻意加入水分表面有完全不同 表現。可以得知OTS成長時對於溶液中水分的多寡非常的敏感，且幾 乎決定了表面好壞。在浸泡時間3天與7天影像中，可以發現到浸泡3 天樣品表面石筍狀高度大約都在10~20 nm左右，有小部分為高度約為 40 nm；浸泡7天樣品表面高度則呈現更大的變化，高度大約為50 nm 左右，但有部分高度甚至超過100 nm以上。因此在有水OTS環境下浸 泡時間愈長會造成OTS成長高度愈高且表面高度差異程度愈大。

圖4-11 OTS的AFM影像，樣品條件為有水OTS溶液浸泡3天。

圖4-12 OTS的AFM影像，樣品條件為有水OTS溶液浸泡7天。

由AFM影像可以知道水在OTS成長時中影響甚大。在文獻中對於 OTS在二氧化矽成長機制有許多模式被提出⁵¹，如圖4-13。在這些條 件成長機制在無水與有水溶液完全不同，若是使用無水溶劑且在乾燥 環境下，OTS先與吸附在二氧化矽表面上的少量水反應脫去HCl，之 後OTS直接再與表面的二氧化矽形成矽氧鍵結，最後在表面上才會與 相鄰的OTS鍵結形成完整的自組裝薄膜。在這反應機制下OTS不會形 成多層膜結構。然而在另一條件之下，溶劑環境有大量水分（約為 OTS濃度數倍），反應機制則完全不同，OTS分子在有水環境之中先 反應脫去HCl而互相連接在一起，其中部分分子再連接到二氧化矽表 面上。這樣機制將會形成島狀成長（island grown）並且形成多層膜。

由這兩種不同成長模式可以知道OTS在形成自組裝薄膜時溶液中水 含量多寡將影響表面。根據AFM實驗結果可以得知這次實驗的環境

中仍然有少部分的水存在（甲苯試劑含水量小於10 ppm），而造成有 部分會形成島狀成長，而大部分都仍然為薄膜的環境。由AFM影像 推斷在實驗中最佳化的自組裝薄膜條件為不刻意加入水的甲苯環境 中浸泡48小時。

圖4-13 OTS在不同條件下成長機制（a）無水環境下（b）有水環境下51 。