第三節 奈米科技

尺度 1nm 奈米＝ 10 － 9 m 米＝ 10Å 埃

研究微觀 microscopic 世界現象則可簡稱為微觀物理，以量子力學為代表，量子效應無法忽略

奈米結構的大小約為 1到 100 奈米，尺度在分子和次微米結構之間。在此尺度下，一些量子效應與現象特別顯著，所以，奈米結構可產生完全不同於大尺寸物質的新性質。

奈米結構的特徵之一為「高表面積／體積比」

奈米材料： 指材料的幾何形狀達到奈米尺度，並具有特殊功能的材料，其主要類型包括：奈米粒子、奈米管、奈米薄膜、奈米塊材等。奈米材料的製作亦可分為兩種方法

1.由下而上的次微米組合法2.由上而下將大結構鑿刻為小結構以創造出實體的方法。

奈米科技大致可以分為三個領域

High-density carbon nanotubes

例金塊的熔點為 1063°C ，且活性不高，而直徑 5nm 的奈米金粒，熔點降為 730°C ，且化學活性提高可作為觸媒。

TiO2 的粒子直徑由微米小至奈米大小時，導電能力提高 60倍。

顏料顆粒小至奈米等級可提升顏色強度更為鮮豔，甚至同一材質但不同顆粒大小即可顯出不同顏色

硒化鎘在不同粒徑下的產色

奈米元件：以分子、原子為起點，製造具特殊功能的元件。為製造具特殊功能的元件，大體有兩種方法：

1.“由上而下” Top Down 技術係利用微加工等方法，將元件不斷微小化，

2. " 由下而上 " Bottom Up 技術操控分子、原子，按照人類的意願進行設計與組裝。

耐熱材料因為孔洞小至 10nm ，雖僅 1cm 厚，卻能使扶桑花不受到下端

800°C 火焰的烘烤而燒毀

晶圓上的線路 奈米吉他

蓮花效應指蓮葉表面不沾汙，易清潔的特性，是由於其表面絨毛大小接近奈米等級，使得灰塵及液滴與葉面的接觸面積很小，因而不易沾附在葉面上。

奈米檢測與表徵技術： 為了在奈米尺度上研究元件和材料的結構與性質，必須建立奈米檢測與表徵技術，以研究各種奈米結構的力、光、電、磁等性質。

電子掃描穿隧顯微鏡（ＳＴＭ）原子力顯微鏡（ＡＦＭ）近場光學顯微鏡（ＳＮＯＭ）

掃描穿隧顯微術 （ Scanning Tunneling Microscopy ）

源於 1980年代初期，能解析出晶體表面的原子結構及電子分佈情形，發明人 G. Binnig 及 H. Rohrer 於 1986年獲頒諾貝爾物理獎。此技術有效並穩定地操控金屬探針，且利用量子力學的電子穿隧原理，藉探針在距樣品表面僅約幾個原子大小的範圍內來回掃描，讓原子的排列具體地呈現，有助於我們從基本層面來瞭解許多物理及化學現象。此外，也展示了搬移原子的能力，同時也能人為地改變電子量子化的狀態，使製造原子級的材料和元件，已不再只是夢想。

原子力顯微鏡（ＡＦＭ） atomic force microscope

由 Binnig 、 Quate 和 Gerber 於 1986年提出。利用特製的 微小探針，來偵測探針與樣品表面間的某種交互作用，然後使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣品表面來回掃描偵測，並利用此掃描器的垂直微調能力及回饋迴路，讓探針與樣品間的交互作用在掃描過程中保持一定距離 ( 約 10-10m) ，只要紀錄掃描面上每一點的垂直微調距離，便可獲得樣品表面的等交互作用圖像，進而推導出樣品表面特性。

UHV AFM Image of NaCl (100) on Mica.Picture

近場光學顯微鏡（ＳＮＯＭ）Scanning Near-Field Optical Microscopy

近場光學是相對於遠場光學遠場光學指光與所照射目標間的距離遠大於使用光波的波長，以進行光學的量測、觀測或光學作用，但受到光的繞射極限限制。 近場光學技術，是在遠小於光波波長的距離下，進行光學的量測、記錄或讀寫。讓光的波動行為在尚未開始展現的極近距離內，就已達成光學記錄與讀取的目的。

近場光學不僅可避開光的「繞射極限」的限制，還能進行超高解析度、超高辨識力的光學量測、觀測的目的。

與電子掃描式顯微鏡 ( AFM、 STM) 之比較

非破壞性量測 ─ 可偵測到真實的表面空間 ( Real Surface Measurement )

樣品不需繁複的製備手續

無須在真空中作檢測

具有其他光學性質的優點

奈米科技在各領域

環境與能源 奈米科技在能源效率、儲存及生產上具有潛在巨大的衝擊，例：

• 奈米催化劑的使用，可大幅提升化學工業的產能。 • 介孔性材料其孔隙大小約為 10~100 nm ，廣泛的應

用在石油工業上，以移除微細之污染物。 • 以奈米粒子強化高分子材料可取代結構金屬元件在汽車工業之應用。

• 奈米尺度之無機黏土或高分子材料可製造更環保、更耐磨的輪胎。

生物科技與農業

生命的基本元素，如蛋白質、核酸、脂、質醣等，皆因其在奈米尺度上之大小、型態的不同具有獨特的性質。 生物合成與生物製程，提供新的方法製造新的化合物及藥物。而奈米技術對農業發展上的直接幫助有：奈米分子工程化合物可滋養農作物及防蟲、動植物的基因改質工程、動物體內基因及藥物的傳送，奈米陣列的 DNA檢測科技。

醫藥與健康

生命系統係由奈米尺寸的分子行為所控制，而目前化學、物理、生物及電腦模擬等學門皆匯流在奈米尺度上的發展，此一跨領域跨學門的趨勢，可刺激奈米生物科技的發展，其具潛力的應用包括：

(1)快速有效的基因序列可在診斷與治療產生革命性的影響。 (2) 使用遙控或及時活體元件有效及更便宜的醫療照顧。 (3) 新藥物的配方或輸送途徑。 (4) 更耐久之人工組織或器官。 (5)視力或聽力輔助。 (6)偵測新興人體疾病之感測系統

奈米電子及電腦技術

新巨磁阻現象的發現在未來十年內，奈米技術將完全取代舊有的電腦磁記錄磁頭技術。其他有潛力的突破包括：

(1) 奈米結構的微處理元件，將持續低能量使用與低成本的發展趨勢，因此將提高電腦之效率達百萬倍。 (2) 具高傳輸頻率及高效用之光譜的通訊系統以增加提供至少十倍以上之頻寬，將可應用於商業、教育、娛樂及國防。 (3)1000GB容量的小而輕的儲存元件，其功能將超過目前達千倍。 (4) 具體積小、質量輕、省能源特性之積體奈米感測器系統，其具有收集、處理、通訊大量資訊的功能。

奈米科技產品

The The EndEnd