半导体科技200201陈家俊@师范大学化学系;蓝荣煌@中研院原分所 .docVIP

半導體科技200201陳家俊@師範大學化學系;藍榮煌@中研院原分所★奈米科技的發展與應用 陳家俊 / 國立台灣師範大學化學系教授 藍榮煌 / 中央研究院原子與分子科學研究所研究助理 本文主要介紹一些奈米科技的基本概念﹐進而引用幾項奈米科技實際運用﹐來分析奈米科技與產業發展之關係﹐其中包含﹕碳奈米管、奈米高分子複合材料、半導體奈米粒子光電性質、奈米生化醫療科技、分子製成的開關、碳奈米管製成的元件、掃描探針顯微術等﹐最後並提供一些各國推動奈米科技及產業現今的情形。 簡介奈米科技 「微小化」已是21世紀科技發展中的一項重要課題﹐而奈米科技就是以這個主題為導向的科技。奈米科技不單單只是一門學科﹐它所牽涉包含的層面非常的廣泛﹐舉凡奈米材料的製備與應用﹐奈米元件的製作﹐奈米感測器晶片及監視奈米材料品質的儀器設備﹐及有關生物、環境、材料、物理、醫療技術等﹐均為奈米科技發展中重要的一環。1996年諾貝爾化學獎得主Smalley於1999年美國參議院奈米科技聽證會上強調﹐「奈米科技對未來人類健康及生活福祉之貢獻﹐絕對不亞於本世紀為電子產品、醫學影像、電腦輔助工程、人造高分子材料的總合貢獻」﹐可見奈米科技對未來科技發展是多麼重要的。 隨科技發展日新月異﹐反應慢、笨重的材料已日漸被淘汰﹐取而代之的是反應速度較快且體積微小的奈米材料。近年來科學家在製備奈米元件材料已有相當的進展﹐如場發射器、單電子電晶體、巨磁電阻層等材料元件晶片﹐如圖一所示﹐已可以做到比人類毛髮甚至蛋白質分子還要小的尺寸﹐可見微小化的奈米產品已不再是人類遙不可及的夢想。 ◆圖一﹕奈米材料、元件、生物細胞及病毒等相對尺寸大小位置圖。] 何謂奈米材料﹖所謂奈米材料泛指粒子尺寸大小在1 ~ 100nm (nanometer = 10-9m)範圍內的材料﹐概稱為奈米材料。在製備奈米材料方面主要分為2種方式﹐物理方式通常利用微影蝕刻(lithography)、乾濕式蝕刻(etching)等蝕刻方法﹐即所謂的由上而下(top down)的方法來製備奈米粒子﹐科學家認為光刻法極限將在0.07微米左右﹐用離子(ion beam)或電子束(electron beam)可以改進蝕刻技術極限縮小至0.01微米﹐要製備比0.01微米更小的材料尺寸﹐就必須改變蝕刻技術方法。化學方式通常所用的方法是利用由下而上(bottom up)的方法﹐也就是以原子或分子為基本單位﹐利用溶液微胞侷限、電解、生物模板、溶膠 - 凝膠、化學氣相沉積(chemical vapor deposition)等方法﹐漸漸往上成長成奈米粒子。 不管是物理性質或是化學性質﹐奈米材料性質均與塊材(bulk materials)有著相當大的差異性﹐以下我們將分項略加說明。 1.在催化性質方面﹐由於奈米粒子體積非常小﹐材料表面原子與整體材料原子的個數比例值就變得非常顯著﹐而固體表面原子的熱穩定性與化學穩定性都要比內部原子要差的多﹐所以表面原子的多寡代表了催化的活性﹐即大表面積是一個好觸媒材料的基本要素﹐如Fe / ZrO2奈米觸媒可提升CO＋H2反應成烴類的催化能力。 2.在光學性質上﹐當材料尺寸小至某一程度﹐也就是粒子小於塊材的激子半徑(exciton length)﹐此時奈米材料會有量子限量化的效應(quantum confinement effect)﹐量子點(quantum dots)會像原子與分子一樣具有不連續的能階﹐且變化粒子大小時﹐能隙(energy gap)也會因粒子大小不同而不同。經科學家理論計算[1]﹐量子點(quantum dots)、量子線(quantum wires)、量子井(quantum well)、塊材(bulk materials)﹐它們在能階密度(density of state)上均不相同﹐如圖二所示﹐這代表了它們可能在光學性質上亦有不尋常的差異﹐另外由於奈米粒徑小於一般紫外光、可見光或紅外光波長﹐所以造成粒子對光的反射及散射能力大減﹐因此如Al2O3、γ-Fe2O3、TiO2等奈米材料均可作透明及隱身的材料。 ◆圖二﹕不同維度尺寸材料的能階狀態密度與能量關係圖] 3.在磁性方面﹐奈米鐵、鈷、鎳合金具有強的磁性﹐其磁紀錄密度可達4 X 106至40 X 106 Oe / mm3﹐且其訊雜比極高。此外Fe3O4奈米粒子粒子間磁性的互相干擾極弱﹐利用適當的表面活性劑﹐將其分散於液體時可成為強磁性的磁流體﹐其應用於鐵性雜質的連續分離。 4.在複合材料方面﹐奈米材料的加入﹐可以提昇材料的剛性、抗拉、抗折、奈熱、自身防然性等性質﹐如我們加入少許粘土於尼龍與聚亞醯胺﹐可以使吸濕性改善﹐可降低一半水氣的穿透性[2]。 5.在感測方面﹐奈米粒子所製成的感測器﹐由於表面活體性增加造成訊號敏感性變強﹐另一方面﹐粒徑小導致孔隙