科學發展 2008年8月，428期

躦般報導

到底什麼是奈米？阭1970年代阭

期，隨著科技進步，科學家發阭奈米

級大小是介於髯觀與微觀間的阭介觀阭

矕理量阭80年代後期，已有很多科學

家投入奈米相關基礎領域的研究阭阭

本是首先由政府公開把奈米科技列為

重點發展項目的阭家，阭1990年代阭

期投入大筆經阭，阭奈米阭阭nanome-

ter, nm阭一詞就是阭本提出的阭而阭

阭由於經阭與人力充足，廣泛阭發展

奈米領域的相關應用，因此也維阭相

當領先的阭阭阭

由尺寸概念來看，奈米材料就是

奈米顆粒、奈米薄膜與奈米管的阭

稱阭阭奈米材料尺寸的分類上，阭把

尺阭小於 1 奈米阭nm阭的粒子稱為

阭阭阭，是一種介於單個原子與固態阭

材間的原子集合體阭由原子團阭阭合

成鬆散分子團阭，原子團阭的形阭有

多種可能的形式，例如線阭、阭阭、

管阭、洋蔥阭、骨架阭、球阭阭阭

阭奈米阭是十億分之一米，阭十的

負九次阭米阭大阭是10個氫原子的阭

阭阭阭奈米材料的鮈義就是材料的特阭

長阭介於 1阭 100奈米之間，阭長阭

大阭與粒子阭阭、晶粒尺寸、薄膜阭

阭阭電子元瞻中導線寬阭差不多阭阭

單來說，材料的阭一維阭的特阭尺寸

介於 1阭 100奈米，就可稱為奈米材

料阭

奈米材料的維度

奈米材料依幾何特性可為阭維

阭0阭 dimension阭、一維阭1阭 dimen-

1公韇

賥球

大象

蘋果

1奈米

馲陳浩銘魑辛嘉芬魑劉如熹

躦輛遠方行駛過跡的車子適遠看是躦種顏色適

當靠近你時適它為何又變成軉躦種顏色了呢遶

金屬外殼怎會在不同角度下呈現不同的色澤呢遶

讓現在最夯的奈米技術帶你脖入科技變色龍的世界！

路奈米結構的變色龍面板

奈米韇寸世界

高爾

顊球

DNA

氫原子

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sion阭與阭維阭2阭dimension阭阭阭維

奈米材料又稱為奈米粒子阭奈米阭

體，是採用矕理、化學阭生矕學阭阭

所製阭出由分子阭原子阭成的100 奈

米以阭的固體粒子阭阭所有奈米材料

中，奈米粒子研發的歷史最久，技阭

也最成阭阭

一維材料涵阭奈米線阭nano 阭

wire阭與空心奈米管阭nano阭 tube阭，阭

阭阭是奈米尺阭，長阭則是阭大尺阭

的線阭材料，可用阭服裝、導線、阭

纖阭領域阭阭維奈米材料則阭有一維

阭奈米範圍內，外觀是薄膜阭阭阭，

因此奈米尺阭的薄膜與奈米阭是阭於

阭維奈米材料的範阭阭

電解變色的歷史

電解阭阭阭阭阭龍阭的概念，須阭

溯至數十年前發展的電解質阭阭製

阭，阭種阭阭阭阭是阭1936年發展出

來的阭它是把經陽極處理後的鋁材阭

泡於含銅、鎳阭鋁鹽的溶阭中，目的

是為了阭氧化鋁膜內沉阭合

適的阭阭阭電解著阭阭阭阭

1970年代正式引進阭阭，阭

著電化學沉阭阭，以交阭電

阭阭式沉阭阭阭阭氧化鋁膜

孔洞中，而得到所需的阭

阭阭

阭 10 年阭本發展出 4 步

驟技阭，由阭種技阭製阭出

可隨視角阭化阭彩的表阭，

阭阭象是由於氧化鋁阭中入阭阭線與

反阭阭線之間的驠阭阭象所阭成的阭

由於製阭阭阭容易阭阭，已迅阭應用

阭電子產阭的外阭、阭阭裝阭、辨阭與

感測器阭阭阭阭阭外大廠如阭阭

阭Sharp阭、飛阭阭阭Phillips阭阭公司阭已

正式量產，可預期未來必會吸引阭多廠

阭投入阭種技阭的研究阭

然而，除了前述提到的應用外，

電解阭阭阭可應用阭指紋記錄與感測

器阭用阭上阭指紋記錄的原理是阭用

加入阭阭矕質於多孔膜中，阭成多孔

膜折阭率的改阭，導致建設性驠阭阭

長的改阭，進一步產生阭阭的阭象阭

當手指施阭阭裝置上時，皮膚中的阭

脂會滲入多孔膜中而阭成阭阭，阭阭

種阭化阭發生阭與皮膚接阭的阭阭，

因此指紋的凹陷處不會阭記錄，阭用

阭種阭阭就可阭到指紋記錄的目的阭

阭由於孔中的阭脂會隨時間阭發，因

此需要用一塑膠薄膜包覆阭上阭阭能

使效阭阭阭久阭

變色龍變色的原因

到底是什麼原因阭成薄膜可以阭

阭呢？阭阭就是阭學薄膜阭阭阭阭生

活中就有許多阭學薄膜，幾阭所有阭

學薄膜的特性阭是薄膜內的驠阭阭象

所阭成的阭例如肥皂泡沫與阭阭上阭

污阭，阭阭會隨著薄膜阭阭與觀阭角

阭的不同而阭化，阭些阭可歸阭為單

阭薄膜阭驠阭的阭象阭

由肥皂泡沫阭阭膜內表阭與外表

阭反阭的阭阭來看，當阭阭間的阭阭

差是阭長的整數阭時，就產生建設性

驠阭，若阭阭差是半阭長的阭數阭，

就會產生破壞性驠阭阭阭阭阭線間的

阭阭差阭鮈於薄膜的阭阭與入阭角

阭，因此肥皂泡阭阭阭上阭污阭的阭

阭，也會隨著薄膜阭阭與觀阭角阭而

阭化阭

根阭阭個原理，阭要阭多孔性的

氧化鋁膜中填入阭阭阭為阭線的反阭

阭，入阭的阭阭就可與阭阭阭反阭的

反阭阭阭產生驠阭阭象，而製阭出人

阭的阭學薄膜阭阭個人阭阭學

薄膜阭不同的角阭阭看，阭可

阭阭不同的阭阭阭

奈米多﹀痱氧化鋁膜

阭阭次大戰前，就開阭發

展把鋁合阭放阭酸性溶阭中再

外加陽極氧化處理的製阭，以

阭得多孔性氧化鋁膜，阭為鋁

合阭的阭氧化阭與著阭的前處電解變色應用於外觀裝飾

零維奈米材料蚘稱為奈米粒子或奈米粉體薈

）採用物理薔化學或生物學方法所製備出由分子或蚓子組成的100 奈米以艫的固體粒子薎

科學發展 2008年8月，428期

蹔用電解著色技術製造的蚴隨視角變化色彩的表面薈

）由於氧化鋁層艽入射翉線與反射翉線之間的莥涉現象所造成的薎

由於步驟方法容易艴方便薈已翷速應用在電子產品的外殼薔日常裝飾等方面薎

原子序所影響，阭中鎳阭阭奈米線是

一種多晶的結構阭polycrystalline阭阭

另一阭阭，鎳奈米線是由氧化鋁

膜底部開阭生長的，鎳阭阭線底部是

氧化鋁膜的障壁阭，阭阭阭 30 奈

米，阭個障壁阭的阭阭與電解溶阭中

酸的侵蝕阭率及氧化鋁的成長阭率有

極大的關係阭若氧化鋁的成長阭率高

於酸的侵蝕阭率，則障壁阭阭阭會增

加，反之則減少，阭中奈米線長阭可

藉由電鍍沉阭時間與電阭加以控制阭

阭阭個奈米結構中，當阭線由空

氣進入氧化鋁阭時，會因折阭率的阭

化而改阭行進阭向阭當阭線碰到鎳阭

阭阭時，阭線會阭反阭回到氧化鋁阭

然後回到空氣，阭時反阭阭線會與入

阭阭線產生驠阭阭象而阭阭阭阭阭化

光學薄膜的製造方法

理，阭是一種歷史悠久的防腐蝕阭

阭阭阭年來因為奈米微結構研究的蓬

勃發展，阭成阭種具有多孔性陣列奈

米結構的氧化鋁膜再次受到重視阭

陽極氧化鋁阭anodic aluminum

oxide, AAO阭，是一種自阭裝阭self阭

assembly阭六邊形阭hexagon阭高規則

的孔洞陣列結構阭它的製阭阭阭是阭

用電化學原理，控制操作參數阭特鮈

條瞻阭，阭鋁箔表阭產生具有多孔性

陣列的結構阭它的特阭是孔洞大小一

致、空孔分布密阭阭從 10 9∕ cm 2至

10 12∕ cm 2，且具高阭規則性，因此

可阭為優良的奈米結構模板阭此外，

多孔性氧化鋁膜也具有高強阭、優良

化學安鮈性、絕緣性、耐高溫阭特

性，可以應用阭多種製阭中阭

經過阭次陽極處理後的鋁膜表

阭，孔洞外圍的骨架阭阭六角形緊密

堆阭，中間部分因為阭陽極處理過阭

中阭草酸輕微蝕刻阭成凹陷阭阭40附

特的陽極氧化電阭阭，以草酸為電解

阭所製阭的氧化鋁膜，平均孔阭大阭

是60奈米，且孔阭大小阭分布可藉由

不同的電解溶阭、操作電阭與溫阭來

控制阭

電化學沉積金屬奈米線

藉由交阭電

電鍍阭，把鎳阭

阭填入經不同電

阭密阭陽極處理

的鋁膜中，由測

量的結阭發阭填

入的奈米線阭阭

與原先孔洞阭阭

接阭阭阭電子顯

微鏡影像中，阭

阭阭深的部分是

鎳阭阭，阭淺的

部分則是氧化鋁

膜阭阭是由於試

片對電子散阭能

力受阭結晶性與

陽極魷理 電化學沉積

AlAl

Ni

AC15℃

55℃

多﹀痱陽極氧化鋁膜結構圖

經過菪次陽極魷理的鋁膜鋦面照片

氧化鋁

奈米﹀襻 氧化鋁骨架

氧化鋁骨架

鋁

﹀襻

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蚪要在多孔性的氧化鋁膜艽填入金屬做為翉線的反射層薈

入射的翉束就蚴與被金屬反射的反射翉束產生莥涉現象薈

而製造出人工的翉學薄膜薈在艭蛃的角度艫看薈便蚴呈現艭蛃的顏色薎

的電量就可阭到預期的效阭阭

除了以施加不同電量來控制鋁片

表阭的阭阭之外，也可改阭陽極處理

時的電阭密阭來阭到控制鋁片阭阭的

目的阭因為以不同的電阭密阭處理鋁

片氧化過阭時，電阭密阭的差異會導

致鋁片表阭電場分布的改阭，而產生

不同大小與分布的鋁片表阭，阭樣會

進一步改阭氧化鋁膜的折阭率，使鋁

片表阭阭阭不同的阭阭阭

若把不同鋁片的阭阭轉換成CIE

阭阭座標，阭些阭阭的座標阭置會形

成一個循環圈，因此用阭種新穎奈米

技阭製作阭阭可隨心所欲阭得到所需

要的阭阭，相信以後會阭阭看到阭種

阭阭龍阭板出阭阭許多生活用阭上阭

陳浩銘（辛嘉芬（劉如熹台灣大學化學系

的特性阭阭阭個結構中，鎳阭阭是阭

為反阭阭，阭並不是所有的阭阭阭適

合阭為反阭阭，阭一阭的阭阭材料需

要有高的折阭率阭由此可知，氧化鋁

膜的阭阭阭鋁片表阭產生的阭學特性

上扮演重要的角阭，而鋁膜的阭阭可

藉由電阭密阭加以控制，因此會產生

不同阭阭的鋁表阭，並且會隨角阭阭

阭阭

當固鮈提供 6,000庫侖的電量製

阭氧化鋁膜時，可藉由增加電阭密阭

及減少陽極處理時間來阭到固鮈電量

的目的，而阭固鮈電量的同時，所製

阭的氧化鋁薄膜阭阭理論上應相同，

因此氧化鋁片表阭的阭阭阭化會相

同阭阭阭際上，當提供阭大電阭密阭

時，產生的電阭也會隨著增加，而陽

極氧化電阭會影響氧化鋁膜中孔洞的

大小阭陽極處理中所施加的電阭與孔

阭大小具有正比的關係阭與分布，導

致氧化鋁薄膜的折阭率改阭，進而影

響鋁表阭的阭阭阭化阭

阭一般的操作電阭介於 4.0 附特

至15.0 附特之間，因此孔阭阭化不至

於大幅影響鋁表阭

的氧化鋁阭折阭

率阭然而電阭密阭

愈大，反阭阭的阭

阭會漸趨紅阭，因

此可觀阭到鋁表阭

的阭阭阭化由深紫

逐漸轉阭為淺藍阭

而 當 固 鮈 提 供

7,200 庫侖的電量

製阭氧化鋁膜時，

鋁表阭阭阭阭化是

由淺綠漸漸轉阭為

黃阭，由此可知當

提供固鮈電量製阭

氧化鋁膜時，鋁表

阭阭阭的差異不會

很明顯，阭是深淺

的差異阭若是要阭

得不同阭阭的鋁表

阭，阭須改阭不同

氧化鋁奈米結構聯詫涉現象示意圖

氧化鋁魒Al2 O3鈌

50 nm

鎳奈米線魒Ni nanowires鈌

鋁片鋦面電解變色正面照適陽極魷理虭虮是施加 6,000庫侖魒上襫鈌

餑7,200庫侖魒下襫鈌的電量遮

以不同電流趁度製備出各種不同顏色的鋁片適並對應在CIE色度座標

上會形成躦個循環遮

□

15° 55° 0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

深度閱讀資料

劉如熹（民97）鞁奈米材料的製作與應用一陽

極氧化鋁膜及奈米線製作技術鞁全華科技圖書

股份有限公司鞁台北。