TWI571640B - 測量電雙層電位、緊密層厚度及離子濃度之方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種測量電雙層電位、緊密層厚度及離子濃度之方法，特別是指一種使用原子力顯微鏡之測量電雙層電位、緊密層厚度及離子濃度的方法。
科技發展隨時代演進，資訊科技、半導體/微電子、微機電系統、奈米科技、生物科技、能源科技等依序豋場，此演進明顯有趨向輕、薄、短、小之勢，與先進微製造技術相關的微奈米 (Micro nano systems) 理論發展甚為迅速，也因而如此相關基礎科學值得更深入探討，例如跟電動現象相關的電滲 (Electroosmosis) 、電泳 (Electrophoresis) 、與電濕潤(Electrowetting) 等。
其中，界面電動現象的理論與電雙層(Electric double layer，EDL) 息息相關。時至今日，雖然有電化學掃描顯微鏡 (Scanning Electrochemical Potential Microscopy，SECPM)或界面電位分析儀 (Zeta Potential Analyzer)等分析儀器。但在不同界面情形下，仍然無法完整的解釋電雙層模型特性，例如：不同材質的表面、不同濃度與價位的電解液等。故發明人志在提供一種簡易且準確測量電雙層電位分布、緊密層厚度及離子濃度之方法。
本發明所要解決的技術問題，在於提供一種測量方法，在不經過複雜的樣品前處理情況下，可簡易測量不同固液樣品間的電雙層電位分布、緊密層厚度及離子濃度。
根據本發明之一些實施例，提供一種測量電雙層電位之方法。此方法包含：利用原子力顯微鏡，測量位於溶液中之樣品的表面作用力；解析表面作用力靜電力；將靜電力轉換為電荷密度；以及將電荷密度轉換為電雙層之電位。
根據本發明之一些實施例，提供一種測量緊密層厚度之方法。此方法包含：利用原子力顯微鏡，測量位於溶液中之樣品的表面作用力；解析表面作用力得退出曲線；以及解析退出曲線得緊密層之厚度。
根據本發明之一些實施例，提供一種測量離子濃度之方法。此方法包含：提供包含第一離子之電解液及樣品，其中第一離子具有第一濃度；添加第二離子於電解液中，其中第二離子具有第二濃度，且第二離子的價位不同於第一離子的價位；藉由上述之方法，測量位於該電解液中之該樣品的一表面作用力，並將該表面作用力轉換為一電雙層之一電位；將電位轉換為第一濃度與第二濃度的比值；以及藉由此比值，計算出第一離子的第一濃度。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或實例，以實現本發明的不同特徵。特定實例的組成及佈局敘述如下，以簡化本發明。當然這些僅是實例，並非用以限制。
第1圖係根據一些實施例，一種使用原子力顯微鏡測量緊密層厚度、電雙層之電位分布及離子濃度之方法100的示意流程圖。可於此方法100進行前、進行期間與進行後提供額外的步驟，且其中所描述的一些步驟可被刪除或取代為此方法中的其它實施例。而測量緊密層厚度、電雙層之電位分布及離子濃度所使用之原子力顯微鏡與樣品之配置示意圖則如第2圖所示。
方法100包含樣品前處理(步驟102)、樣品表面作用力之量測(步驟104)、緊密層厚度之量測(步驟106)、電位分布之量測(步驟108)及離子濃度之量測 (步驟110)。其中，樣品前處理包含下列步驟：對基材進行化學機械研磨(CMP)；選擇性沉積鈍化層於樣品表面上而形成樣品之一部分；以及對樣品進行表面清洗。
本揭露內容之方法100所使用之原子力顯微鏡與樣品之配置示意圖如第2圖所示，其主要包含樣品10、電解液20、探針30、雷射光源40及光檢測器50。於接近樣品10表面之部分的電解液20會形成電雙層26。探針30包含微懸臂32及針尖34。
請參照第1圖及第2圖，方法100起始於步驟102，其係進行樣品之前處理。樣品10可包含任何固體，以產生電雙層於樣品10與電解液20之間。在本實施例中，樣品10係鍍金矽晶圓及玻璃晶圓。樣品之前處理包含平坦化樣品表面、形成鈍化層及清洗樣品表面，其中形成鈍化層的步驟僅選擇性應於於特定樣品(如：矽晶圓)，其將於後詳述。此外，樣品之前處理所包含的步驟可任意調整其順序。舉例來說，形成鈍化層步驟可於平坦化樣品之前或之後進行。
樣品之前處理(步驟102)中的平坦化樣品表面之步驟，係提供一具有平整表面之樣品，以提升後續表面作用力量測之準確性。平坦化樣品表面的方式包含，但不局限於化學機械研磨(CMP)法。在本實施例中，化學機械研磨法使用包含酸、鹼以及磨粒的拋光液附著於拋光墊上，再經由拋光墊與樣品10表面相對磨耗達到平坦化之效果。藉由適當調整CMP的製程參數，例如：下壓力、載具轉速、盤面轉速、拋光液pH 值、磨粒之粒徑、拋光墊種類等，以達到最佳的研磨條件。
樣品之前處理(步驟102)中的形成鈍化層之步驟，係形成一鈍化層於樣品10之表面，以避免因樣品10與電解液20發生化學反應所產生之物質(例如:氣泡)，而導致表面作用力量測之準確度下降。在本實施例中，由於矽晶圓可能與電解質溶液20發生化學反應，故需形成鈍化層於矽晶圓之表面上。鈍化層之材料可為任何貴金屬或化學活性低之非金屬。在本實施例中，鈍化層的材料係金。鍍金矽晶圓係藉由電子束蒸鍍製程(EB-PVD)蒸鍍金於矽晶圓之表面以形成金鍍層(未標示)。在一些實施例中，形成鉻鍍層(未標示)於金鍍層與樣品10之間以增加金鍍層的附著力。值得注意的是，形成鈍化層的電子束蒸鍍製程(EB-PVD)可進行於矽晶圓之平坦化處理之前或之後。在本實施例中，電子束蒸鍍製程(EB-PVD)係進行於矽晶圓之平坦化處理後。
樣品之前處理(步驟102)中的清洗樣品表面之步驟，係進行於平坦化玻璃晶片及蒸鍍金層於矽晶圓之後，以提升後續表面作用力量測之準確性。清洗製程可為任何適合之製程。在本實施例中，清洗製程係藉由紫外線臭氧洗淨機(UV Ozone Cleaner)來去除樣品10之表面上的有機污染物。紫外線臭氧洗淨機產生之臭氧以及氧氣離子，能激發有機汙染物質並使其跟氧氣離子反應結合成氣體，最後使用抽氣裝置排除氣體而達到清洗表面之效果。
於樣品前處理(步驟102)之後，藉由原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)與光學影像檢測儀(JSM-2500)來檢測清洗過之樣品10的表面粗糙度。清洗後之鍍金矽晶圓，其中心線平均粗糙度(Ra)為1.009奈米而最大粗糙度(Ry)則為8.26奈米。清洗後之玻璃晶片，其中心線平均粗糙度(Ra)為0.92奈米，而最大粗糙度(Ry)則為6.05奈米。整體而言，樣品10之表面粗糙度位於表面作用力可測量的範圍之內。
請參照第1圖及第2圖，方法100進行至步驟104，其係測量樣品10之表面作用力。在測量表面作用力之前，先將經前處理之樣品10置於電解質20之中，使得樣品10之表面具有電雙層26。電解質20可為任何適合之電解質溶液。在本實施例中，電解質20係氯化鈉溶液、氯化鎂溶液及其組合。此外，電解質20的濃度係介於0.001mM至10M之間。在一些實施例中，電解質20的濃度係介於0.01mM至1M之間。在本實施例中，電解質20的濃度係1mM。於後續之表面作用力測量、電位分布及離子濃度的測量中，將比較不同樣品10與電解質20之組合所得到之結果。值得注意的是，電解質20係包含任何一價離子、二價離子、三價離子、四價離子、五價離子或其任意之組合的電解質溶液，而不局限於本實施例中的氯化鈉及氯化鎂溶液。
測量樣品10與電解質20間之表面作用力(步驟104)，係藉由原子力顯微鏡(AFM)來進行。如第2圖所示，原子力顯微鏡的主要結構包含探針30、微懸臂32、針尖34、雷射光源40及光檢測器50。在本實施例中，探針30係由氮化矽所製成，以避免與樣品10產生磁力，其將於後詳述。表面作用力之測量係藉由光束偏折技術，其係藉由針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移。接著，藉由光檢測器50偵測打在針尖34上的雷射光束偏折量來偵測探針30與樣品10表面間之交互作用，例如穿隧電流、原子力、磁力、電磁波。
然而，原子力顯微鏡所得到之數據係雷射偏移量-距離關係，必須藉由樣品表面與探針之關係與探針彈性係數，以力譜模式(force spectroscopy)將其轉換成表面作用力-距離關係，同時藉由設定實驗參數來簡化分析表面作用力。探針30於樣品10之表面所測得之表面作用力係由靜電力(Electrostatic force)、凡德瓦力(Van der Waals force)、磁力(Magnetic force)、溶劑力(Solvation force)所組成。如前所述，由於探針30非由磁性物質所組成，故可排除磁力之影響。此外，藉由設定探針速度為0.25微米/秒，可去除溶劑力的影響。故探針30所測得之表面作用力係靜電力(F
el)與凡德瓦力(F
van)之合。其中，凡德瓦力將於後述之內容中經由適當之公式計算而減去，僅剩之靜電力將進行後續數學方程式轉換成電位，其將於後詳述之。
於測量樣品10的表面作用力後，接著將進行緊密層厚度之測量(步驟106)、電位分布之測量(步驟108)及離子濃度之測量(步驟110)，其將於後詳述。
於測量緊密層厚度之步驟106中，分別測量不同樣品10與電解質20組合的逼進曲線(Approach)與退出曲線(Retraction)。如第3圖所示，其繪示玻璃晶片於1毫莫耳濃度(1mM)之氯化鈉溶液中，所測量到的力值-距離圖。此力值-距離圖包含逼進曲線302及退出曲線304。其中，由退出曲線304變化梯度極大的地方(如第3圖中的虛線310)所對應之水平軸距離，可計算緊密層之厚度。同時，也可測得表面作用力之力值變化。
造成退出曲線304如此大的變化梯度的原因，係步階式的不能一次分離。於探針30與樣品10之表面分離的過程中，隨著探針30與樣品10之表面間隙的加大，反離子將填充至樣品10或探針30之表面的緊密層中，並緊密吸附樣品10或探針30之表面，使得探針30不能一次與樣品10之表面分離。當原子力顯微鏡的微懸臂32恢復力大於靜電吸引力時，探針30才與樣品10之表面分離，同時使得退出曲線產生極大的變化梯度。
不同樣品10(鍍金矽晶圓及玻璃晶片)與電解液20(氯化鈉及氯化鎂)組合所測得之緊密層(stern layer)厚度與力值變化如下列表一所示。 表一：不同樣品-電解質組合之緊密層厚度及力值變化
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0004"><TBODY><tr><td> 樣品-電解質 </td><td> 緊密層厚度 (nm) </td><td> 力值變化 (nN) </td></tr><tr><td> 鍍金矽晶圓-氯化鈉 </td><td> 0.779 </td><td> 0.074 </td></tr><tr><td> 鍍金矽晶圓-氯化鎂 </td><td> 0.784 </td><td> 0.045 </td></tr><tr><td> 玻璃晶片-氯化鈉 </td><td> 0.751 </td><td> 0.134 </td></tr><tr><td> 玻璃晶片-氯化鎂 </td><td> 0.684 </td><td> 0.210 </td></tr></TBODY></TABLE>其中玻璃晶片於氯化鈉溶液中的緊密層厚度為0.751奈米，與理論值的0.662奈米相近。另一方面，玻璃晶片於氯化鎂溶液中的緊密層厚度為0.684奈米，與理論值的0.632奈米極為相近。故藉由表面作用力之退出曲線，可計算出緊密層的厚度。
此外，由表一可見，鍍金矽晶圓的力值變化小於玻璃晶片。此現象係由於探針30、樣品10及電解質20的等電位點(Isoelectric Points，IEP)的不同所致。用於探針30的氮化矽，其IEP為6；鍍金矽晶圓的表面係金，其IEP為7；玻璃晶片的IEP約為2。於電解質20(1mM氯化鈉與1mM氯化鎂)之酸鹼值約為6.5的環境中，鍍金矽晶圓與探針帶相異電性，故產生相吸之靜電力。而玻璃晶片與探針帶相同電性，故產生相斥之電力。由於鍍金矽晶圓與探針間具有相吸之靜電力，故其顯示出的力值變化較玻璃晶片與探針間的力值變化來得小。
於測量電位分布之步驟108中，其係將測得之表面作用力，轉換為電位分布。在此步驟中，先將表面作用力解析出靜電力，再藉由靜電力之數學模型，將靜電力轉換為電荷密度。最後，藉由1D波松茲曼(1D Poisson Boltzmann)方程式，將電荷密度轉換為電位。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0005"><TBODY><tr><td width="267" height="0"></td></tr><tr><td></td><td><img wi="110" he="42" file="02_image001.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>如前所述，藉由適當選擇探針30的材料與控制探針30的移動速度，探針30所測得之表面作用力係靜電力(F
el)與凡德瓦力(F
van)之合。其中，凡德瓦力與電荷密度無關，因此將探針30測得之表面作用力扣除下列式(1)中的凡德瓦力(F
van)即可得靜電力(F
el)，以便於後續藉由靜電力之數學模型與1D波松茲曼方程式來得到表面電位分布曲線。 式(1) 其中D表示探針30與樣品10之表面的距離，R為探針之半徑，A
H為漢馬克常數(Hamaker Constant)。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0006"><TBODY><tr><td width="132" height="0"></td></tr><tr><td></td><td><img wi="379" he="46" file="02_image003.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>接著，將扣除凡德瓦力(Fvan)後，所得之靜電力(Fel)帶入靜電力之數學模型，如下列式(2)所示。 式(2) 其中ε為介電常數、ε
0為真空介電常數、R為探針之半徑、λ
D為德拜長度(Debye length)、σ
T為探針30之電荷密度、σ
S為樣品10之表面的電荷密度。藉由適當設定探針30之電荷密度(σ
T)的值，便可在已知靜電力(Fel)大小的情況下，經過Matlab軟體計算，而得出樣品10表面之電荷密度(σ
S)之大小。接著將探針30之電荷密度(σ
T)與樣品10表面之電荷密度(σ
S)的差值帶入描述空間中電位與電荷密度關係的1D波松茲曼(1D Poisson Boltzmann)方程式並結合Gouy-Chapman模型，即可得不同探針30與樣品10之表面的距離下之電位分布情形。1D波松茲曼方程式如下列式(3)
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td width="251" height="0"></td></tr><tr><td></td><td><img wi="129" he="43" file="02_image005.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>所示。 式(3) 其中，σ
St代表探針30之電荷密度(σ
T)與樣品10表面之電荷密度(σ
S)的差值，而Ψ
St代表該處之電位。
請參照第4圖，其係不同樣品10(鍍金矽晶圓及玻璃晶片)與不同電解質20(氯化鈉及氯化鎂)之組合的電位分布圖。其中，鍍金矽晶圓-氯化鎂414的電位值較鍍金矽晶圓-氯化鈉412更接近0。同樣地，玻璃晶片-氯化鎂404的電位值較玻璃晶片-氯化鈉402更接近0。造成這現象的原因係離子強度，高離子強度溶液中其擴散層電荷密度增加，為了中和整體系統之電荷則擴散層體積減少，故造成擴散層電位推向樣品表面促使整體電位減小。由於氯化鎂的離子強度高於氯化鈉的離子強度，故氯化鎂電解質所形成的電雙層電位較氯化鈉更為壓縮。
同時，本發明更藉由泊松-波茲曼(Poisson Boltzman，PB)方程式及修正的泊松-波茲曼(Modified Poisson Boltzman，MPB)方程式，來證明利用表面作用力所得到之電位分布的合理性。其中，PB方程式適用於低濃度一價電解液之電位分布預測，而MPB則適用於多價電解液之電位分布預測。結果顯示，於德拜長度(約10奈米)範圍內，表面作用力轉換之1mM氯化鈉的電位分布趨勢與PB方程式所得之電位分布一致。另一方面，表面作用力轉換之1mM氯化鎂則與MPB方程式所得之電位分布一致。因此，由AFM所得之表面作用力，轉換成的電位分布接近理論值並可用作實際之測量。
此外，結合前述步驟得到緊密層之厚度(步驟106)與前述之電位分布值，可得界達電位(Zeta-Potential)，本實施例所測得之不同樣品10與電解質20之組合如下列表二所示。 表二：不同基板與液體組合之界達電位
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0007"><TBODY><tr><td> 基板 </td><td> 氯化鈉 </td><td> 氯化鎂 </td></tr><tr><td> 鍍金矽晶圓 </td><td> -33 mV </td><td> -10 mV </td></tr><tr><td> 玻璃晶片 </td><td> 23 mV </td><td> 8 mV </td></tr></TBODY></TABLE>
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0008"><TBODY><tr><td width="213" height="0"></td></tr><tr><td></td><td><img wi="217" he="45" file="02_image007.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>於測量離子濃度之步驟110中，其係將前述中所測得之電位，經過數學方程式，計算出離子濃度比值。接著，藉由此離子濃度比值，計算出離子濃度。此數學方程式係新波茲曼(New Poisson Boltzman，NPB)方程式，可表示電位與第一離子及第二離子濃度間的關係，此方程式如下列式(4)所示。 式(4) 其中t代表邊界電位，c代表內部電位，而β1及β2則分別代表第一離子及第二離子的濃度。
本發明於前述之電位分布測量後，藉由添加第二離子於前述電位測量中含有第一離子之電解液之中，經由NPB方程式推導出第一離子與第二離子的比值，再藉由已知的添加第二離子濃度，計算出未知的第一離子濃度。值得注意的是，第一離子與第二離子分別為不同價位(例如：一、二、三、四、五、六、七價)之離子或完全不同價位之離子組合，而不侷限於本發明所測量之一價的鈉離子和二價的鎂離子。舉例來說，第一離子為鈣離子時，第二離子可為鈉離子、鋁離子等非二價之離子。亦或是第一離子為鈉離子與鈣離子的離子組合時，則第二離子可為的鋁離子等非一價或二價之離子。也就是說，當電解液中某一價位之離子濃度係已知時，其他價位之離子濃度即可藉由上述之NPB方程式求出。在一些施例中，於前述之作用力測量與電位分布計算中，所使用之電解質20係氯化鈉及氯化鎂。故於步驟110中，各別添加已知濃度之氯化鎂及氯化鈉至氯化鎂電解液及氯化鈉電解液之中。
在本實施例中，選擇樣品10為鍍金矽晶圓，並藉由預先設定電解液之鈉、鎂離子比，以比較藉由NPB方程式計算所得之鈉、鎂離子比的準確性。請參照第5圖，其繪示鍍金矽晶圓於不同鈉鎂離子濃度比值之電解液中的電位分布。其中，電解液502、504、506、508、510及512分別具有鈉鎂離子比值為1、3、2、1.33、4、0.6。各種電解液下之電位分布，隨著其離子強度增加，其電位值將越接近0。造成的原因如前所述，係高離子強度之溶液(即多價位或高濃度之溶液)會壓縮其電雙層之電位分布。然而，電解液510(及鈉鎂離子比值為4)不符合此現象。其原因係鈉鎂離子此值達4時，將產生明顯的體積效應(Steric effect)，使得離子間有額外的作用力，而導致由表面作用力所得之電位分布曲線有不符合上述現象之情形。
請參照下列表三，其係將鍍金矽晶圓於不同鈉鎂離子比之電解液中的電位分布，藉由NPB方程式轉換成鈉鎂離子濃度比之結果。 表三：配置之鈉/鎂離子比值與計算之鈉/鎂離子比值
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0009"><TBODY><tr><td> 氯化鈉 (mM) </td><td> 氯化鎂 (mM) </td><td> 配置之 鈉/鎂離子比值 </td><td> 計算之 鈉/鎂離子比值 </td></tr><tr><td> 0.8 </td><td> 0.8 </td><td> 1 </td><td> 0.973 </td></tr><tr><td> 1.5 </td><td> 0.75 </td><td> 2 </td><td> 1.997 </td></tr><tr><td> 2.7 </td><td> 0.9 </td><td> 3 </td><td> 3.004 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 0.5 </td><td> 4 </td><td> 3.68 </td></tr><tr><td> 4 </td><td> 3 </td><td> 1.33 </td><td> 1.312 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 5 </td><td> 0.6 </td><td> 0.626 </td></tr></TBODY></TABLE>由表三可見，除了鈉鎂離子比值為4的電解質，不同鈉鎂離子濃度比值(1、2、3、1.33、0.6)下所計算出的鈉鎂離子比值皆能代表混合溶液中鈉鎂離子比值，其相對誤差值大部分係小於5%。
此外，在使用式(4)計算離子濃度比值時，經由適當的參數置換，可得到更為精準的離子濃度比值。由電位分布曲線(如第5圖)可得知距離樣品10表面任何距離之電位。設定位於緊密層厚度上之邊界電位為t'，設定電位曲線中最低接近0的電位為內部電位c'。此外，設定係數a，以修正邊界電位及內部電位，其修正如下列式(5)。 t=t'-a c=c'-a 式(5) 藉由適當的選擇係數a，使得修正過後的內部電位c接近於0。接著，將修正過後的邊界電位t及內部電位c帶入上述之NPB方程式以得出離子濃度比值，其結果如表三所示。
綜上所述，本揭露內容提供一種測量緊密層厚度、電雙層電位及離子濃度之方法。透過本發明之方法，僅需經過簡易之樣品前處理，接著藉由原子力顯微鏡量測樣品之表面作用力，經過數學方程式轉換後，即可測得量緊密層厚度、電雙層電位及離子濃度。其中，緊密層厚度係藉由原子力顯微鏡中的力譜模式下的退出曲線經計算而得。電雙層電位係藉由靜電力之數學模型、1D波松茲曼(1D Poisson Boltzmann)方程式與Gouy-Chapman模型，分析測得之表面作用力而得。離子濃度係藉由新波茲曼方程式計算出離子濃度比值而得。值得注意的是，離子濃度之測量可應用在各種具不同價位之離子的電解液中。舉例來說，於包含未知濃度之一價離子的電解液中，藉由添加已知濃度的二價離子，便可由本揭露內容之方法測出一價離子的濃度，反之亦然。
值得注意的是，本發明可視為原子力顯微鏡(AFM)之附加功能，而無須進行機體之改造或新增裝置。僅需經過簡易之樣品前處理，便可將原子力顯微鏡所測得之表面作用力，依照本揭露內容之轉換方式，轉換成緊密層厚度、電雙層電位及離子濃度。
雖然本發明已以實施方式及實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。體現本發明特徵與優點的典型實施方式已在以上的說明中詳細□述。應理解的是本發明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及附圖在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。
10‧‧‧樣品
20‧‧‧電解質
26‧‧‧電雙層
30‧‧‧探針
32‧‧‧微懸臂
34‧‧‧針尖
40‧‧‧雷射光源
50‧‧‧光檢測器
100‧‧‧方法
102、104、106、108、110‧‧‧步驟
302‧‧‧逼近曲線
304‧‧‧退出曲線
402‧‧‧玻璃晶片-氯化鈉
404‧‧‧玻璃晶片-氯化鎂
412‧‧‧鍍金矽晶圓-氯化鈉
414‧‧‧鍍金矽晶圓-氯化鎂
502、504、506、508、510、512‧‧‧電解液
20‧‧‧電解質
26‧‧‧電雙層
30‧‧‧探針
32‧‧‧微懸臂
34‧‧‧針尖
40‧‧‧雷射光源
50‧‧‧光檢測器
100‧‧‧方法
102、104、106、108、110‧‧‧步驟
302‧‧‧逼近曲線
304‧‧‧退出曲線
402‧‧‧玻璃晶片-氯化鈉
404‧‧‧玻璃晶片-氯化鎂
412‧‧‧鍍金矽晶圓-氯化鈉
414‧‧‧鍍金矽晶圓-氯化鎂
502、504、506、508、510、512‧‧‧電解液
當讀到隨附的圖式時，從以下詳細的敘述可充分瞭解本發明的各方面。值得注意的是，根據工業上的標準實務，各種特徵不是按比例繪製。事實上，為了清楚的討論，各種特徵的尺寸可任意增加或減少。 第1圖係根據一些實施例，一種使用原子力顯微鏡測量緊密層厚度、電雙層之電位分布及離子濃度之方法的示意流程圖。 第2圖係根據一些實施例，一種用於測量緊密層厚度、電雙層之電位分布及離子濃度之原子力顯微鏡和樣品配置的示意圖。 第3圖係根據一些實施例，繪示原子力顯微鏡測得之作用力的逼近曲線與退出曲線。 第4圖係根據一些實施例，繪示各種樣品與電解質組合之電位分布圖。 第5圖係根據一些實施例，繪示各種鈉鎂離子比值之電解質的電位分布圖。
10‧‧‧樣品
20‧‧‧電解質
26‧‧‧電雙層
30‧‧‧探針
32‧‧‧微懸臂
34‧‧‧針尖
40‧‧‧雷射光源
50‧‧‧光檢測器
Claims (10)
- 一種測量電雙層電位之方法，包含：利用一原子力顯微鏡，測量位於一溶液中之一樣品的一表面作用力；解析該表面作用力得一靜電力；將該靜電力轉換為一電荷密度；以及將該電荷密度轉換為一電雙層之一電位。
- 如請求項1所述之方法，其中將該靜電力轉換為該電荷密度係藉由一靜電力之數學模型，轉換該靜電力為該電荷密度，其中該靜電力之數學模型為：
- 如請求項1所述之方法，其中將該電荷密度轉換為該電雙層之該電位係藉由一1D波松茲曼(1D Poisson Boltzmann)方程式並結合一Gouy-Chapman模型，將該電荷密度轉換為該電位。
- 一種測量緊密層厚度之方法，包含：利用一原子力顯微鏡，測量位於一溶液中之一樣品的一表面作用力；解析該表面作用力得一退出曲線；以及解析該退出曲線得一緊密層之一厚度。
- 如請求項4所述之方法，其中解析該退出曲線得一緊密層之一厚度係計算該退出曲線之一變化梯度極大的部分所對應之一水平距離。
- 如請求項4所述之方法，更包含結合該緊密層之該厚度及由請求項1至請求項3任一項所述之方法而得之該電雙層之該電位，計算出該電雙層之一界達電位(zeta potential)。
- 一種測量離子濃度之方法，包含：提供一包含一第一離子之電解液及一樣品，其中該第一離子具有一第一濃度；添加一第二離子於該電解液中，其中該第二離子具有一第二濃度，且該第二離子的價位不同於該第一離子的價位；藉由請求項1至請求項3任一項所述之方法，測量位於該電解液中之該樣品的一表面作用力，並將該表面作用力轉換為一電雙層之一電位；將該電位轉換為一該第一濃度與該第二濃度的比值；以及藉由該比值，計算出該第一離子的該第一濃度。
- 如請求項7所述之方法，其中該第一離子包含一價離子、二價離子或其組合。
- 如請求項7所述之方法，其中該第二離子包含一價離子、二價離子或其組合。
- 如請求項7所述之方法，其中將該電位轉換為一該第一濃度與該第二濃度的比值係藉由一新波茲曼 (New Poisson Boltzman，NPB)方程式，轉換該電位為該比值。
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| TW104143510A TWI571640B (zh) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | 測量電雙層電位、緊密層厚度及離子濃度之方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| TW104143510A TWI571640B (zh) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | 測量電雙層電位、緊密層厚度及離子濃度之方法 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001116787A (ja) * | 1999-10-20 | 2001-04-27 | Nec Corp | 電荷計測装置 |
| US20050052191A1 (en) * | 2003-08-27 | 2005-03-10 | Prussin Simon A. | In situ determination of resistivity, mobility and dopant concentration profiles |
| TW201100813A (en) * | 2009-06-17 | 2011-01-01 | Univ Chung Yuan Christian | Determining the zeta potential at inside surface of tube via the streaming potential in annular flow |
| TW201231980A (en) * | 2011-01-28 | 2012-08-01 | Univ Chung Yuan Christian | Method for measuring net charge density of membrane and device thereof |
| CN202453272U (zh) * | 2012-01-18 | 2012-09-26 | 浙江大学 | 一种含离子液体溶液微管流动特性及其动电参数的测量装置 |
-
2015
- 2015-12-24 TW TW104143510A patent/TWI571640B/zh active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN202453272U (zh) * | 2012-01-18 | 2012-09-26 | 浙江大学 | 一种含离子液体溶液微管流动特性及其动电参数的测量装置 |
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| TW201723498A (zh) | 2017-07-01 |
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