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現代科技與生活現代科技與生活IV. 認識奈米科技

第0節 前言

˙“There is plenty of room at the bottom.”-- Richard Feynman 1959年在CIT美國物理學會年會演講

Richard FeynmanThe Nobel Prizein Physics 1965

我們能否把全套 24 冊大英百科全書寫在大頭針針頭上？

針頭直徑1/16英吋。如果將其直徑放大25,000倍，針頭的面積就等於全套大英百科全書紙張的面積。

只要我們可以將大英百科全書上的文字縮小25,000倍就行！

眼睛解像能力大約是1/120英吋，如把這個點再縮25,000倍，其直徑還有80 Å，等於32個一般的金屬原子。

換句話說，一個點的面積上還可以容納1000個原子，每一個點都還很容易地調節大小。

因此在大頭針針頭上刻上全套大英百科全書是毫無疑問的。

˙奈米尺寸 1 nanometer = 1 nm = 10-9 m = 10 Å

身高：19億奈米 紅血球：1千奈米 分子DNA寬：1奈米 氫原子：0.1奈米

˙積體電路製程之線寬

（介觀世界）

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第一節 觀察奈米尺寸工具

1989/11/11 IBM工程師 Eigler利用STM移動35氙原子書寫公司名

2:50

1. 掃瞄式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）

可觀察100 nm的結構

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2. 場發射槍掃瞄式電子顯微鏡 (Field Emission Gun SEM, FEGSEM)

使用六硼化鑭（LaB6）或奈米碳管（CNT）製成100 nm針尖，發射10 nm寬電子束，可觀察10 nm的結構。

SEM影像

FEGSEM影像

3. 穿透式電子顯微鏡 (Transmission EM, TEM)

可觀察10 nm的結構

試體加工研磨成小於 200 nm的厚度讓電子束得以穿透

CCD

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4. 高解析度穿透式電子顯微鏡 (High Resolution TEM, HRTEM)

使用六硼化鑭（LaB6）或奈米碳管（CNT）製成100 nm針尖，發射10 nm寬電子束，穿過試體薄膜，散射後以contrast transfer function (CTF)紀錄成序列影像，再反算CTF-1組合成像，可觀察1 nm的結構。

TEM影像

HRTEM影像

5. 掃描穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope, STM)

使用矽晶圓或奈米碳管（CNT）製成100 nm針尖，掃過金屬表面並導電，因表面起伏而影響電流大小，記錄後由電腦後製原子三維模擬影像，可觀察 1 nm的結構。（其穿隧電流亦可吸引原子移動！）

STM影像

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6. 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM)

使用矽晶圓或奈米碳管（CNT）製成100 nm針尖，掃過物體表面而得到凡得瓦力，因表面起伏而微小擺動，利用雷射記錄後，由電腦後製原子三維模擬影像，可觀察 1 nm的結構。

AFM影像 探針

第二節 奈米結構與效應

1. 奈米結構

˙塊材（Bulk）：一般尺寸的傳統材料˙二維奈米材料：奈米薄膜(Nanofilm)、量子井(Quantum well)˙一維奈米材料：奈米線(Nanowire)、奈米棒(Nanorod)˙零維奈米材料：奈米粒子(Nanoparticle)、量子點(Quantum dot)

奈米材料：微小尺寸在100 nm以下

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2. 量子局限效應（Quantum Confinement Effect）

˙材料電子受到激發會改變能階，與電洞結合會發光。

˙塊材電子能自由移動，能隙較小。

˙奈米材料電子移動受限，能隙較大。

˙藍移（Blue shift）：尺寸愈小，發光能量（頻率）愈大。

3. 表面與介面效應（Surface and Interface Effect）

˙材料尺寸愈小，比表面積愈大。

˙奈米材料尺寸愈小，表面原子愈多，作用愈快。

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˙奈米材料尺寸愈小，表面未鍵結電子愈多，活性愈強。

高比表面積的催化效果

4. 量子穿隧效應（Quantum Tunneling Effect）

˙奈米材料尺寸＜100 nm，電子開始可穿越絕緣體。˙該絕緣而未絕緣．．．

CMOS

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5. 巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance, GMR）

˙磁阻 (MR ) 係指磁性材料在外加磁場下，內部電子自旋方向發生改變而導致電阻值變化（約1~3%）。

˙1988年發現在幾個原子厚的鐵/鉻多層膜樣品中，觀察到在磁場下，具有50%的磁阻變化，命名為巨磁阻效應。

˙巨磁阻讀取頭大幅提升硬碟儲存性能，很快地成為硬碟的標準技術，被視為「首次在奈米科技領域上的實際應用」。

Peter GrünbergAlbert Fert

Nobel Prize in Physics 2007

第三節 奈米材料的生成技術

由下而上 由上而下

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1. 化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition, CVD）

˙使用能量將氣態物質分解，令其在基板（Substrate）熱表面上發生化學反應並沈積其上，形成奈米薄膜。

˙包括：熱活化式（Thermally Activated CVD）—熱燈絲（Hot Filament CVD）

電漿輔助式（Plasma Enhanced CVD ）—微波（Microwave PECVD）、—射頻（Radio Frequency PECVD）、—電子迴旋共振（Electron Cyclotron Resonance CVD）、—遙控（Remote PECVD）、—磁控（Magnetic PECVD）、

光輔助式（Photo-assisted, PACVD）—紫外光（UV CVD）、—雷射（Laser-induced CVD）、

˙射頻式電漿化學氣相沈積法（RFPECVD）

(1) 工業常用，高真空成本較低，適合量產。(2) 在金屬或非金屬材料上生長類鑽石薄膜，硬度極佳，

可作為鑽石刀。

高

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˙有機金屬化學氣相沈積法（Metal Organic, MOCVD）

(1) 半導體工業常用，高真空成本較低，適合量產。(2) 有機金屬氣體多有劇毒，外洩亦可能造成火災爆炸。

高

（ ）(AlAs)(AlGaAs)

2. 物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition, PVD）

˙使用能量將蒸鍍的金屬氣化，令其在基板（Substrate）表面上沈積，形成奈米薄膜。

˙包括：分子束磊晶法（Molecular Beam Epitaxy, MBE）

熱蒸鍍法（Thermal Evaporation, TE）

電子束蒸鍍法（Electron Beam Evaporation, EBE）

濺鍍法（Sputtering Deposition）

脈衝式雷射蒸鍍法（Pulse Laser Deposition, PLD）

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˙分子束磊晶法（Molecular Beam Epitaxy, MBE）

(1) 超高真空成本較高，不適合工廠大量生產。(2) 各個固體蒸發量（製程參數）容易控制，適合實驗室研發。

超高

（ ）

加熱蒸發

高

(1) 高真空成本較低，適合工廠大量生產。(2) 只適合低熔點之金屬蒸鍍（<1000°C）。(3) 可生產光電元件之反射鏡、IC金屬導線。

加熱蒸發

˙熱蒸鍍法（Thermal Evaporation, TE）

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(1) 高真空成本較低，適合工廠大量生產。(2) 適合高熔點之金屬或氧化物陶瓷材料蒸鍍（>1000°C）。(3) 可生產鏡片之濾光、抗紫等薄膜與多層膜。

˙電子束蒸鍍法（Electron Beam Evaporation, EBE）

高

磁場

(1) 高真空成本較低，適合工廠大量生產。(2) 適合所有熔點之金屬與非金屬材料薄膜製造。(3) 可生產光碟片反射膜、IC金屬導線及鏡片之濾光、抗紫等

薄膜與多層膜。

˙濺鍍法（Sputtering Deposition）

高

高電場電漿

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˙溶膠凝膠法（Sol-Gel Method）

第四節 奈米薄膜與量子井

˙電流載子（電子或電洞）在法線方向運動受限制，稱此機構為量子井。厚度愈薄，能隙愈大。

˙量子井如同三明治，其外兩層束縛層能隙較大，中央發光層能隙較小。˙通電後，電子與電洞注定在發光層相遇而發出紅外光、可見光或紫外光，

以奈米半導體材料決定。厚度愈薄，效率愈好。

奈米薄膜

單量子井

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多量子井

˙美日分別常用分子束磊晶（MBE）與金屬化學氣相沉積法(MOCVD)製作。

˙垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）：

}不同折射率形成之光柵

第五節 奈米線與奈米棒

˙長寬比（Aspect Ratio, AR）。

矽奈米線 矽奈米棒

長度AR =

直徑

AR大 AR小

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六角柱

˙碳氮化矽奈米棒 ˙加熱蒸鍍（Thermal Evaporation）

坩堝

˙氧化鋅奈米線雷射 ˙矽奈米線感測器

反射鏡

紫外

ZnO量子效應

S: Source D: Drain

氨結合愈多，S至D電導度愈大

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第六節 奈米碳管（Carbon Nano Tube, CNT）

˙碳的同素異形體（Allotrope）

碳原子 鑽石，SP3

石墨，SP2

碳奈米管

碳奈米球巴克球（Bucky ball）富勒烯（1812 Fullerenes）

C60 = 20+12

C70

雷射蒸發碳棒：

若碳棒內含金屬原子，蒸發後的部分碳管或碳球會包覆金屬原子

˙碳管及碳球的製造

電弧放電法雷射蒸發法化學蒸鍍法

La2C80TEM影像：

包覆金屬原子的碳球充填於碳管中

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˙奈米碳管的對稱性

石墨單層

鋸齒型

對掌型

˙奈米碳管構造

扶椅型

單層碳管

˙單層及多層奈米碳管

˙奈米碳管性質

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˙奈米碳管應用

1. 奈米碳管場發射顯示器（CNT-FED）

數萬根碳管

效果一樣耗能極少

2. 奈米鑷子（Nanotweezers）

以外加電壓控制壓電材料厚度，而改變鑷子距離，可夾取大腸桿菌。

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3. 奈米碳管懸臂（Carbon Nanotube Cantilever）

奈米秤：以懸臂載微物，測量振動頻率，可計算其物質量，如大腸桿菌。

4. 奈米碳管在鋰電池的應用（Lithium-ion Battery）

可儲存更多氫原子

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奈米粒子

量子點：奈米粒子覆蓋於奈米薄膜內

第七節 奈米粒子（Nanoparticle）與量子點（Quantum Dot）

˙可由加熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍、電漿CVD、分子束磊晶、或有機金屬CVD，快速冷凝製作。

˙比表面積大，活性高。

波粒二重性

量子井

˙量子點

1. 量子尺寸效應與多電子效應

2. 普通半導體雷射與量子點半導體雷射

量子井發光層： 一維受侷限，能隙較小，發光效率小。

量子點發光層： 三維受侷限，能隙較大，發光效率大。

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3. SK（Stanski-Krastnaow）法所形成之自組裝砷化銦量子點

˙量子點雷射

在垂直共振腔面射型雷射的多量子井發光層中加入量子點，發光效率更佳。

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˙奈米觸媒

以奈米粒子作為觸媒轉化器，效果更佳。

以二氧化鈦奈米粒子作為戶外塗劑，具有自我清潔效果。

分解為小分子

第八節 奈米科技的應用

1. 奈米金屬

奈米金屬係控制金屬基質與奈米粒子之組合所製成。其具有現今金屬中無法想像的高強度、彎曲度、耐蝕性、氫吸收度以及高活性電極特性等。

高強度高耐熱鋁合金

奈米結晶鏡架材料

奈米結晶電磁隔離鐵心合金

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2. 奈米陶瓷

在精密陶瓷中加入奈米結構控制技術，生成奈米多晶體與無機膜，將可實現從未有過的超高強度和電磁性質之「奈米陶瓷」。

3. 單電子電晶體

傳統積體電路

傳統電晶體能耗

傳統電子設備發熱耗電大

單電子電晶體原理

電荷島

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單電子電晶體構造與庫倫封鎖 雙單電子電晶體反相器AFM影像

（10 nm大小）

單電子電晶體積體電路將大幅提高電池效能

4. 量子電腦

量子計算概念

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超導單電子對箱量子位元（當今最快的開關元件）

加入電壓

單電子注入

利用閘極脈波控制電子自旋

5. 高密度磁碟

傳統水平紀錄方式

磁碟片高密度化結晶粒縮小

高密度水平磁化紀錄之要求 熱振動使微細晶粒磁化紀錄消失

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新型垂直紀錄方式

高密度垂直磁化紀錄（使用相同GMR讀取頭）

微磁性模擬十年後結果：可長期存在而不會消失！

6. 高密度光碟

以波長之雷射光照射尺寸小於之微小物體或孔穴，會散射向四方傳播光波，稱為遠場光，無法藉由其觀察到物體或孔穴。但是在一個波長範圍內繞射未發生時，物體周遭產生近場光，以光纖探針可偵測到物體或孔穴的存在，但距離需在10 nm以內，控制成本太高。

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˙高解析度近場結構（Super Resolution Near-field Structure, Super RENS）

在近場光作用層鍍上20 nm的氧化銀膜或銻膜，當雷射光束照射其上時，高溫產生奈米級爆炸(Nano Explosion)分解成銀和氧，銀粒周圍生成近場光到達相變化層寫入數十奈米的微細刻度，雷射光束離開後溫度下降，作用層結合回氧化銀。在雷射讀取時，分解後的微少銀粒子會在相變化層產生表面Plasma的增效近場光，可獲得更強大的讀取信號。理論上一片光碟容量可達 1 Tb。

7. 下世代顯示器

上世代顯示器－陰極射線管（CRT） 本世代顯示器－場發射顯示器（FED）

本世代明星顯示器－奈米碳管場發射顯示器（CNT-FED）

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下世代顯示器－彈道電子表面發射顯示器（BSD-FED）

8. 奈米工具

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後記

想像一種強而有力的技術，能製造精密的器件、修護生

物的細胞、產生人工智慧、促成便宜的太空旅行、提供乾淨

豐富的能源以及重建我們的環境；一種非常方便的技術，能

讓每個人各取所需；一種影響深遠的技術，能徹底地改變我

們的經濟和政治體系；一種如此臨近的技術，使大多數的人

今生就會看到它的衝擊。這就是奈米科技對我們的影響。

Kai Wu

資料來源：

圖解奈米科技，川合知二，工業技術研究院，2002。

奈米科技與微製造產業，曲威光，新陸書局，2005。

光電科技與磁儲存產業，曲威光，新陸書局，2005。

奈米科技簡介，張嘉升，http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/

藍綠光發光二極體，莊賦祥，科學發展，349期，46-53，2002年1月。

Nobelprize.org, http://nobelprize.org/

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