指導教授：陳俊杉臺灣大學：土木工程學研究所卓欣怡Cho, Hsin-YiHsin-YiCho2014-11-252018-07-092014-11-252018-07-092014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/260830　　近幾年來，因微機電產業的蓬勃發展，讓我們有機會利用微小尺寸的機械裝置作為感測器，開始從巨觀世界轉向觀察微米、奈米等尺度的世界。其中微懸臂梁式生物感測器可以將各式物理、化學反應轉換為力學能的形式，使人們得以進行量測，並因其高靈敏度以及容易偵測等優點，而成為生化領域上一種很重要的感測器。然而在有關於溫度變化對感測器的影響卻鮮少有機會探討，本研究的目的就是以這個面向為出發點，想知道感測器與待測物結合後，表面性質是否會有改變。 　　本研究以採用微懸臂梁以及光學量測平台，分別量測不同碳鏈長度的自組裝分子(self-assembled monolayers, SAMs)吸附於金表面所造成的表面應力，以及吸附過後金表面熱膨脹係數的改變。我們發現，短碳鏈以及長碳鏈對於表面應力以及熱膨脹係數的改變有不同的趨勢，而造成這個趨勢的原因，一是因為碳鏈之間的凡德瓦力作用，另一原因則是長碳鏈時整個系統的熵值較高。並且我們也經由長時間的實驗，得知長碳鏈的自組裝分子的表面應力會有震盪的趨勢，引發的原因應是自組裝分子在表面吸附的狀態從倒下轉為站立狀態。 完成實驗後，我們利用分子動力模擬進行不同碳鏈下熱膨脹係數的變化，以驗證實驗的正確性。最後提出與本研究相關實驗儀器上的改進，以及未來模擬所需要完成的方向。With the advance of micro- and nano-fabrication technologies, the microcantilever sensor has now become an important nanomechanics-enabling device for biosensing. The microcantilever can transfer the physical and chemical interactions into mechanical responses that can be measured. The high sensitivity and low cost features of the microcantilever sensor have made it one of the promising candidates for future portable biosensing devices. The object of this thesis is to investigate the surface stress and thermal expansion coefficient of self-assembled monolayers (SAMs) adsorbed on gold-coated microcantilever beam. From the experimental result, we found that the anomaly between chain length and surface stress and thermal expansion coefficient. Van der Waals'' force and entropy are responsible for the anomaly when chain length is long. In addition, measurement fluctuation of the long chain length SAMs’ surface stress is contributed to those molecules changing their configuration from lying-down to standing up. In the simulation part, we use molecular dynamics to prove the correctness of the experiment which is related to the thermal expansion coefficient. And we found the simulation’s result and the experimental result show the same anomaly between chain length and thermal expansion coefficients.致謝 i 摘要 ii Abstract iv 圖目錄 xi 表目錄 xv 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 表面自組裝簡介與應用 2 1.2.2 表面自組裝發展 5 1.2.3 微懸臂梁與自組裝分子層 5 1.2.4 烷基硫醇分子自組裝簡介 8 1.3 研究目的 9 1.4 論文架構 10 第二章 微懸臂梁感測器 11 2.1 微懸臂梁感測器 11 2.1.1 共振頻式感測器 12 2.1.2 複合材料式感測器 12 2.1.3 表面應力式感測器 13 2.2 Stoney’s formula 13 2.3 微懸臂梁量測方法 14 2.3.1 光學式懸臂梁 14 2.3.2 壓阻式懸臂梁 15 2.3.3 壓電式懸臂梁 16 2.4 微懸臂梁感測器之應用 17 第三章 實驗架構 20 3.1 實驗晶片製作 20 3.1.1 微懸臂梁感測器之選用與放置 20 3.1.2 微流道製作與晶片封裝 21 3.2 流體推進系統 22 3.3 光學測量系統 23 3.4 溫度控制系統 24 第四章 實驗流程與結果 25 4.1 PSD讀值轉換 25 4.1.1 幾何轉換法 25 4.1.2 熱效應轉換法 27 4.2 碳鏈長度對金表面熱膨脹係數、溫度變化引發表面應力影響之實驗 30 4.2.1 晶片架設 31 4.2.2 試品準備 31 4.2.3 實驗進行與實驗結果 32 4.3 碳鏈長度與表面應力的關係 38 4.3.1 晶片架設 38 4.3.2 試品準備 39 4.3.3 實驗進行與結果 39 第五章 模擬驗證 42 5.1 模擬環境 42 5.2 組態(Configuration)與模型 42 5.3 模擬進行方式 47 第六章 結果探討 50 6.1 自組裝分子所造成的表面應力 50 6.2 自組裝分子的排列行為 52 6.3 熵(Entropy)和焓(Enthalpy)對表面能量之影響 54 第七章 論文總結 56 7.1 結論 56 7.2 未來方向 57 參考文獻 583252859 bytesapplication/pdf論文公開時間：2014/08/26論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋學校)微懸臂梁表面自組裝表面應力熱膨脹係數分子動力模擬thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/260830/1/ntu-103-R01521606-1.pdf