奈米光電奈米光電

主講人 主講人 : : 許信儀許信儀

中華民國 中華民國 95 95 年 年 3 3 月 月 21 21 日日

綱 要綱 要

一、奈米電子學 一、奈米電子學 二、奈米光材料 二、奈米光材料 三、奈米磁性材料三、奈米磁性材料 四、結語四、結語

一、奈米電子學 一、奈米電子學 ( ( 一一 ). ). 概述概述

2020 世紀誕生了真空管世紀誕生了真空管 (vacuum tube)1947(vacuum tube)1947 年發年發明了電晶體明了電晶體 (transistor)(transistor) ，以後發展為超大型積，以後發展為超大型積體電路體電路 (VLSI,very large scale integrated circu(VLSI,very large scale integrated circuit)it) ，出現了個人計算機和高性能計算機。 ，出現了個人計算機和高性能計算機。

由真空管到微電子元件由真空管到微電子元件 (microelectronic devic(microelectronic device)e) ，這是電子元件發展的第一次變革。一些發達，這是電子元件發展的第一次變革。一些發達國家以微電子元件為基礎的電子工業，逐漸超過國家以微電子元件為基礎的電子工業，逐漸超過了鋼鐵、能源、化工、交通、，成為國家經濟基了鋼鐵、能源、化工、交通、，成為國家經濟基礎的主要支柱。 礎的主要支柱。

電子元件的發展已經經歷了兩個時期，電子元件的發展已經經歷了兩個時期，即真空管和固態即真空管和固態 (solid state)(solid state) 電晶體。電晶體。它們的發展趨勢是尺寸不斷減小，如電它們的發展趨勢是尺寸不斷減小，如電晶體尺寸小到微米量級，形成大型積體晶體尺寸小到微米量級，形成大型積體電路電路 (LSI,large scale integrated circu(LSI,large scale integrated circuit)it) ，稱為微電子元件。 ，稱為微電子元件。

尺寸進一步減小，將進入奈米電子元件尺寸進一步減小，將進入奈米電子元件時期，這就是我們面臨的電子元件發展時期，這就是我們面臨的電子元件發展的第二次變革。 的第二次變革。

國際奈米科學與技術常設委員會將奈米科國際奈米科學與技術常設委員會將奈米科技劃分為技劃分為 66 個主要部分：奈米電子學、奈個主要部分：奈米電子學、奈米物理學米物理學 (nano hphysics)(nano hphysics) 、奈米化學、奈米化學 (n(nano chemistry)ano chemistry) 、奈米生物學、奈米機械、奈米生物學、奈米機械學學 (nano mechanics)(nano mechanics) 和奈米表徵測量學和奈米表徵測量學(nano characterization metrology)(nano characterization metrology) 。 。

微電子元件是計算機和自動化儀器的基礎，微電子元件是計算機和自動化儀器的基礎，它發展的下一代就是奈米電子元件。它發展的下一代就是奈米電子元件。

電子學未來的發展，將以「更小、更快、電子學未來的發展，將以「更小、更快、更冷」為目標。 更冷」為目標。

美國國防高等技術研究廳，要求未來的美國國防高等技術研究廳，要求未來的電子元件要比現有的微電子元件的存儲電子元件要比現有的微電子元件的存儲密度高密度高 5~1005~100 倍，速度快倍，速度快 10~10010~100 倍，倍，而功率則要小於現在元件功率的而功率則要小於現在元件功率的 2%2% 。 。

最終希望達到「雙十二」，即最終希望達到「雙十二」，即 10121012 位的位的記憶體容量記憶體容量 (1 Tera , (1 Tera , 太太 tera=1012bit)tera=1012bit)和每秒和每秒 10121012 次的運算器速度次的運算器速度 (1000(1000 億次億次// 秒秒 )) ，且廉價而節能。 ，且廉價而節能。

奈米電子學是奈米電子元件的理論和技奈米電子學是奈米電子元件的理論和技術的基礎。術的基礎。

微電子元件微電子元件 (microelectronic device)(microelectronic device)發展為奈米電子元件發展為奈米電子元件 (nano electronic (nano electronic device)device) ，包括材料、技術和理論，包括材料、技術和理論 33 個方個方面，材料由高純矽、鍺、鎵、砷等半體面，材料由高純矽、鍺、鎵、砷等半體材料向無機材料向無機 // 有機複合材料發展；技術有機複合材料發展；技術由微影照像由微影照像 (photo lithography)(photo lithography) 、摻、摻雜、磊晶技術等發展為分子尺度上的自雜、磊晶技術等發展為分子尺度上的自組裝和裁剪技術；理論由半導體物理向組裝和裁剪技術；理論由半導體物理向奈米元件的量子統計奈米元件的量子統計 (quantum statisti(quantum statistics)cs) 理論發展。 理論發展。

在奈米電子元件中，載子的波動性顯著，在奈米電子元件中，載子的波動性顯著，呈現相位相干性， 呈現相位相干性， I-VI-V 特性不尊從歐姆定特性不尊從歐姆定律律 (Ohm,s law)(Ohm,s law) 。。

現行的微電子元件現行的微電子元件 (( 如場效應電晶體如場效應電晶體 ,(fiel,(field effect transistor FET)d effect transistor FET) 功率較大，它無功率較大，它無法滿足未來對元件「更冷」的要求。法滿足未來對元件「更冷」的要求。

目前的微影照像技術能夠加工的最小線寬目前的微影照像技術能夠加工的最小線寬為為 130nm130nm ，也不能滿足奈米電子元件的，也不能滿足奈米電子元件的加工要求。傳統的微影照像技術正面臨著加工要求。傳統的微影照像技術正面臨著它的物理極限的限制，使得它必將被更先它的物理極限的限制，使得它必將被更先進的加工技術所取代，如進的加工技術所取代，如 STMSTM 和和 AFMAFM 奈奈米加工技術等。 米加工技術等。

另一種方式是研製與當代積體電路完全不同的，利另一種方式是研製與當代積體電路完全不同的，利用奈米結構的量子效應用奈米結構的量子效應 (quantum effect)(quantum effect) 而構成而構成的全新量子結構的全新量子結構 (quantum structure)(quantum structure) 體系，它體系，它包括新型的量子元件包括新型的量子元件 (quantum device)(quantum device) ，如單電，如單電子電晶體子電晶體 (SET single electron transistor)(SET single electron transistor) ，單，單電子記憶體電子記憶體 (single electron memory)(single electron memory) ，單原子，單原子開關開關 (single electron switch )(single electron switch ) 等，以及可能用等，以及可能用於量子系統的零維的量子點於量子系統的零維的量子點 (quantum dot)(quantum dot) ，一，一維的量子線維的量子線 (quantum wire)(quantum wire) 和二維量子井和二維量子井 (qua(quantum well)ntum well) 等。等。

奈米電子學技術的主要研究內容應該包括奈米結奈米電子學技術的主要研究內容應該包括奈米結構的加工技術和具有量子效應的電子元件的開發。 構的加工技術和具有量子效應的電子元件的開發。

(( 二二 ). ). 奈米加工技術奈米加工技術

奈米製造方法可分為兩大類，即「從上奈米製造方法可分為兩大類，即「從上到下」法和「從下到上」法，前者是在到下」法和「從下到上」法，前者是在一個表面上刻出奈米結構或向該表加入一個表面上刻出奈米結構或向該表加入大團分子，後者則是將原子或分子組裝大團分子，後者則是將原子或分子組裝成奈米結構。 成奈米結構。

(1)(1) 「從上到下」法 「從上到下」法

1.1. 微影照像術微影照像術 微影照像術基本上就是攝影術的微影照像術基本上就是攝影術的

發展。這一過程分為兩步，第一步是製發展。這一過程分為兩步，第一步是製造罩幕造罩幕 (( 這是一個一次性的過程，可能這是一個一次性的過程，可能比較緩慢而且費錢比較緩慢而且費錢 )) ，第二步是利用罩，第二步是利用罩幕進行複製幕進行複製 (( 這一過程必定十分快捷而這一過程必定十分快捷而省錢省錢 ) )

縮小電晶體的尺寸和線寬的基本方法在於縮小電晶體的尺寸和線寬的基本方法在於改進微影照像技術改進微影照像技術 (photolithography)(photolithography) ，，也就是使用更短波長的曝光光源，經罩幕也就是使用更短波長的曝光光源，經罩幕曝光，把刻蝕在矽片上的電晶體做得更小，曝光，把刻蝕在矽片上的電晶體做得更小，連接電晶體的導線做得更細來實現。連接電晶體的導線做得更細來實現。

當對積體電路最小線寬要求達到當對積體電路最小線寬要求達到 100nm100nm時，現行的微影照像技術無能為力而面臨時，現行的微影照像技術無能為力而面臨失敗。現行的微影照像技術也被稱為深紫失敗。現行的微影照像技術也被稱為深紫外光微影照像技術。深紫外光波長為外光微影照像技術。深紫外光波長為 240240nmnm ，它的微影照像的理論極限是，它的微影照像的理論極限是 100n100nmm 。也就是說，現行的微影照像技術將。也就是說，現行的微影照像技術將無法加工小於無法加工小於 100nm100nm 的最小線寬。 的最小線寬。

超紫外光超紫外光 (extreme UV)(extreme UV) 的波長更短，它的波長更短，它的使用有望使微影照像的最小線寬達到的使用有望使微影照像的最小線寬達到 7070nmnm 以下。 以下。

用來製造線寬遠小於用來製造線寬遠小於 100nm100nm 的晶片的微的晶片的微影照像工具，每壹台的造價高達數千萬至影照像工具，每壹台的造價高達數千萬至數億美元。數億美元。

微電子技術變成奈米電子技術是一個很自微電子技術變成奈米電子技術是一個很自然的演變過程。但是，隨著結構尺寸的不然的演變過程。但是，隨著結構尺寸的不斷縮小，傳統微影照像術的難度也越來越斷縮小，傳統微影照像術的難度也越來越大，因此，廠商正在探索製造未來一代奈大，因此，廠商正在探索製造未來一代奈米晶片米晶片 (nano chip)(nano chip) 的替代辦法。 的替代辦法。

隨著微影照像精度的提高，它也需要相隨著微影照像精度的提高，它也需要相應提高矽片應提高矽片 (( 基板基板 )) 和微影照像罩幕板的和微影照像罩幕板的表面平整度無疑也將成為提高微影照像表面平整度無疑也將成為提高微影照像精度的另一個「瓶頸」。 精度的另一個「瓶頸」。

2.2.軟微影照像術軟微影照像術 利用微影照像術或電子束照像術利用微影照像術或電子束照像術 (e-beam (e-beam

lithography)lithography) 在矽片表面的一層微影照像膠中在矽片表面的一層微影照像膠中做出一個圖案。做出一個圖案。

這一過程產生出一個淺浮雕式的母板， 然後將這一過程產生出一個淺浮雕式的母板， 然後將聚二甲基矽氧烷聚二甲基矽氧烷 (PDMS, polydimethylsiloxa(PDMS, polydimethylsiloxane)ne) 的一種化學前體的一種化學前體 -------- 它是自由流動的液體形它是自由流動的液體形式式 --------倒入淺浮雕的母板上，並讓其固結成膠狀倒入淺浮雕的母板上，並讓其固結成膠狀的固體。這一過程的結果就是一個的固體。這一過程的結果就是一個 PDMSPDMS 的壓的壓模。模。

做出一個精密細緻的淺浮雕母板是很費錢的，做出一個精密細緻的淺浮雕母板是很費錢的，因為它需要使用電子束照像或其他先進技術。 因為它需要使用電子束照像或其他先進技術。

第一種方法稱為微接觸印刷法第一種方法稱為微接觸印刷法 (micro c(micro contact printing)ontact printing) 。在。在 PDMSPDMS 壓模上塗壓模上塗上一種試劑洗液，試劑中含有一類名為上一種試劑洗液，試劑中含有一類名為硫醇的有機分子。硫醇與金硫醇的有機分子。硫醇與金 (Au)(Au) 的表面的表面起反應，形成一層高度有序的薄膜起反應，形成一層高度有序的薄膜 (( 稱稱為自組裝單層，為自組裝單層， SAMSAM ，， self assembly self assembly monolayer),monolayer), 只要使用得當，微接觸印只要使用得當，微接觸印刷法仍能產生其特徵小至刷法仍能產生其特徵小至 50nm50nm 的圖案。的圖案。

軟微影照像術的另一種方法稱為毛細管微模製軟微影照像術的另一種方法稱為毛細管微模製法法 (capillary micro molding)(capillary micro molding) ，也就是使，也就是使 PPDMSDMS壓模來模製出來圖案。壓模來模製出來圖案。

奈米流動技術是微流動技術的進一步發展，它奈米流動技術是微流動技術的進一步發展，它可以製作其通道可以製作其通道 (channel)(channel)僅有幾奈米寬的生僅有幾奈米寬的生化研究用晶片。這一尺度上的流體動力學化研究用晶片。這一尺度上的流體動力學 (flui(fluid dynamics)d dynamics) 特性使得特性使得 DNADNA片段之類的東西片段之類的東西能夠通過新的方法分離開來。能夠通過新的方法分離開來。

軟軟 PDMSPDMS壓模的變形何走樣可能使複製的圖壓模的變形何走樣可能使複製的圖案產生微小誤差，因此，如果要求多層結構的案產生微小誤差，因此，如果要求多層結構的各層彼此間非常精確地重疊起來，那麼對於製各層彼此間非常精確地重疊起來，那麼對於製作這樣一類結構，軟微影照像術就沒有多大用作這樣一類結構，軟微影照像術就沒有多大用武之地。 武之地。

3.3. 電子束微影照像術電子束微影照像術 電子束微影照像技術電子束微影照像技術 (electron-bea(electron-bea

m lithography)m lithography) 是用電子束是用電子束 (electron b(electron beam )eam )把電路圖案繪在一層聚合物薄膜上。把電路圖案繪在一層聚合物薄膜上。

電子束的束斑電子束的束斑 (beam spot)(beam spot)直徑可以做得直徑可以做得很小，其刻蝕精度可以滿足很小，其刻蝕精度可以滿足 10nm10nm 最小線最小線寬的要求。寬的要求。

電子束微影照像的致命缺陷是照像速度太電子束微影照像的致命缺陷是照像速度太慢，而且現有的電子束儀器非常昂貴，無慢，而且現有的電子束儀器非常昂貴，無法滿足大規模生產的需要，它通常只能用法滿足大規模生產的需要，它通常只能用製作微影照像加工的罩幕板製作微影照像加工的罩幕板 (mask (mask 或或 retreticle)icle) 。 。

XX射線微影照像術射線微影照像術 (x-ray lithography)(x-ray lithography)((使用波長在使用波長在 0.1~10nm0.1~10nm 之間的之間的 xx 射線射線 ))或極端紫外輻射微影照像術或極端紫外輻射微影照像術 ((使用波長使用波長在在 10~70nm10~70nm 之間的紫外光之間的紫外光 )) 。。

不過這些方法也有它們自已難處；常規不過這些方法也有它們自已難處；常規透鏡透鏡 (lens)(lens) 不能透過極端紫外輻射不能透過極端紫外輻射 (radi(radiation)ation) ，也不能使，也不能使 xx 射線聚焦。此外，射線聚焦。此外，能輻射也會迅速破壞罩幕和透鏡中使用能輻射也會迅速破壞罩幕和透鏡中使用的許多材料。 的許多材料。

4.4.掃描探針法掃描探針法 (scanning probe)(scanning probe) 掃描探針法主要是掃描探針法主要是 STMSTM 和和 ATMATM 。。 一個細微的探頭一個細微的探頭 (probe)(probe) 與試樣與試樣 (speci(speci

men)men)直接接觸，該探針就是一根纖維或直接接觸，該探針就是一根纖維或一個稜錐形或 金字塔形尖針，其寬度通一個稜錐形或 金字塔形尖針，其寬度通常為常為 2~30nm2~30nm 。探頭安裝在一根懸梁。探頭安裝在一根懸梁 (ca(cantilever) ntilever) 的端部，當探針在樣品表面上的端部，當探針在樣品表面上掃過時，懸梁就發生彎曲。用一束雷射掃過時，懸梁就發生彎曲。用一束雷射 (l(laser)aser) 照射在懸梁的頂端並對反射的雷射照射在懸梁的頂端並對反射的雷射進行測量，便可以確定懸梁彎曲的程度。 進行測量，便可以確定懸梁彎曲的程度。

AFMAFM 上的尖端可以用來把奈米粒子在表上的尖端可以用來把奈米粒子在表面上到處拖動。面上到處拖動。

如果研究人員增大從如果研究人員增大從 STMSTM尖端上流出的尖端上流出的電流，則電流，則 STMSTM 就變成了一個極小的電子就變成了一個極小的電子束源束源 (electron beam source)(electron beam source) ，可以用，可以用來繪出奈米尺度的圖案。來繪出奈米尺度的圖案。

沒有束斑沒有束斑 (beam spot)(beam spot) 直徑和平行度要直徑和平行度要求的求的 STMSTM 和和 AFMAFM 奈米加工技術極有可奈米加工技術極有可能成為未來超大型積體電路加工的首選能成為未來超大型積體電路加工的首選工具，扮演非常重要的角色。 工具，扮演非常重要的角色。

5.5. 浸筆式刻印術浸筆式刻印術 它的原理同鵝管筆很相近。在它的原理同鵝管筆很相近。在 AFMAFM

的尖端上塗一層不溶於水、但是能與金的尖端上塗一層不溶於水、但是能與金的表面起反應的硫醇的表面起反應的硫醇 (thiol)(thiol) 分子薄膜。 分子薄膜。

討論過的所有名種刻印術都屬於「從上討論過的所有名種刻印術都屬於「從上到下」類。它們都不可能方便、廉價而到下」類。它們都不可能方便、廉價而迅速地製作出任意材料的奈米結構。 迅速地製作出任意材料的奈米結構。

(2)(2) 「從下從上」法 「從下從上」法

兩種最引人注目的從下到上方法分別是製兩種最引人注目的從下到上方法分別是製作奈米管作奈米管 (nano tube)(nano tube) 和量子點和量子點 (quantu(quantum dot )m dot ) 的方法。 的方法。

量子點是僅含有數百個原子的晶體量子點是僅含有數百個原子的晶體 (crysta(crystal)l)

製作量子點的一種方法是利用金屬子製作量子點的一種方法是利用金屬子 ((例如例如鎘離子鎘離子 Cd2+)Cd2+) 和某種能夠貢獻硒離子和某種能夠貢獻硒離子 (Se2(Se2+)+) 的分子之間的化學反應。這一反應生成的分子之間的化學反應。這一反應生成了硒化鎘了硒化鎘 (CdSe)(CdSe) 晶體。該反應可以生成多晶體。該反應可以生成多種形的粒子，包括球形、桿形和四足形。 種形的粒子，包括球形、桿形和四足形。

晶片微處理器是通過邏輯「閘」晶片微處理器是通過邏輯「閘」 (logic g(logic gate)ate) 的開或關來工作的，「閘」的開或的開或關來工作的，「閘」的開或關的狀態，取決於有無電流流過。關的狀態，取決於有無電流流過。

微處理器中的邏輯閘正常工作時需數百微處理器中的邏輯閘正常工作時需數百上千個電子的電流，晶片內線寬的減小上千個電子的電流，晶片內線寬的減小會導致單位時間內流過邏輯閘的電子數會導致單位時間內流過邏輯閘的電子數大幅度減少，當電子數減至數十個數量大幅度減少，當電子數減至數十個數量級時，邏輯閘在判斷「開」或「關」時級時，邏輯閘在判斷「開」或「關」時就會處於不確定狀態，無法正常工作。 就會處於不確定狀態，無法正常工作。

經由晶片的新設計和製造方法經由晶片的新設計和製造方法 (( 如多層晶片設如多層晶片設計技術和晶片中採用的銅計技術和晶片中採用的銅 (Cu)(Cu) 線連接技術等，線連接技術等，但由於目前的微電子元的工作電流很大，功率但由於目前的微電子元的工作電流很大，功率也相對很大。 也相對很大。

IBMIBM公司發展的晶片矽在絕緣物上公司發展的晶片矽在絕緣物上 (SOI,silic(SOI,silicon on insulator)on on insulator) 技術可以在一定程度上降低技術可以在一定程度上降低晶片的能耗，晶片的能耗， SOISOI 技術已經分別應用於英特爾技術已經分別應用於英特爾公司的奔騰公司的奔騰 44 代代 (Pentium IV)(Pentium IV) 晶片和美國超晶片和美國超微公司微公司 (AMD,Advanced Micro Devices)200(AMD,Advanced Micro Devices)20011 年中上市鉗槌年中上市鉗槌 (Clawhammer)(Clawhammer) 晶片中。晶片中。

具有量子效應的奈米電子元件的工作能耗極小，具有量子效應的奈米電子元件的工作能耗極小，因為其工作電流僅為因為其工作電流僅為 1~101~10 個電子。 個電子。

(( 三三 )).. 單電子電晶體 單電子電晶體

微觀粒子具有貫穿電位障微觀粒子具有貫穿電位障 (potential barrie(potential barrier)r) 的能力稱為隧道效應的能力稱為隧道效應 (tunneling effect)(tunneling effect) ，，量子尺寸效應量子尺寸效應 (quantum size effect)(quantum size effect) 和隧和隧道效應將會是未來奈米電子元件的基礎。 道效應將會是未來奈米電子元件的基礎。

當體系的尺度進入到奈米級，庫侖阻塞能導當體系的尺度進入到奈米級，庫侖阻塞能導致了於一個小體系的充放電過程，電子不能致了於一個小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個一個單電子的傳輸。通集體傳輸，而是一個一個單電子的傳輸。通常把這種單電子傳輸行為稱為庫侖阻塞效應常把這種單電子傳輸行為稱為庫侖阻塞效應(Coulomb blockade effect)(Coulomb blockade effect) 。 。

觀察單電子現象，必須滿足兩個條件：觀察單電子現象，必須滿足兩個條件： 1.1. 電子數是量子化，也就是說，電子呈電子數是量子化，也就是說，電子呈

現粒子現粒子 (particle)(particle) 性而非波動性而非波動 (wave)(wave) 性。性。 2.2. 靜電能大於熱能，如果量子點的尺寸靜電能大於熱能，如果量子點的尺寸

為為 1nm1nm 左右，則可以在室溫下察到上述左右，則可以在室溫下察到上述效應。量子點尺寸在十幾奈米範圍時，效應。量子點尺寸在十幾奈米範圍時，上述效應必須在液氮上述效應必須在液氮 (LN2,liquid nitro(LN2,liquid nitrogen)gen) 溫度下才能觀察到。溫度下才能觀察到。

(( 四四 ).). 單電子記憶體單電子記憶體

發展一種快速度、高密度、低能秏、非揮發展一種快速度、高密度、低能秏、非揮發記憶體發記憶體 (non-volatile memory)(non-volatile memory) ，具，具有廣泛的應用前景。 有廣泛的應用前景。

共隧穿共隧穿 (co tunneling)(co tunneling) 現象現象 兩個或兩個以上電子在不同隧道接面兩個或兩個以上電子在不同隧道接面同時隧穿的現象。同時隧穿的現象。

隨機背底電荷效應隨機背底電荷效應 (random backgroun(random background charge effect ) d charge effect ) ，直接影響庫侖阻塞，直接影響庫侖阻塞效應 效應

庫侖阻塞效應是在較低的偏壓條件下電流流動庫侖阻塞效應是在較低的偏壓條件下電流流動受阻的一種電現象，也就是說電子被滯留在奈受阻的一種電現象，也就是說電子被滯留在奈米顆粒上。可以利用庫侖阻塞效應來存儲二進米顆粒上。可以利用庫侖阻塞效應來存儲二進制制 (binary)(binary)資訊。可見單電子元件最適合作高資訊。可見單電子元件最適合作高密度記憶體。 密度記憶體。

單電子元件應用於工業生產的必要條件是：單電子元件應用於工業生產的必要條件是： 1.1.室溫條件下工作，也就意味著顆粒的粒徑小室溫條件下工作，也就意味著顆粒的粒徑小

於於 10nm10nm 。。 2.2.消除隨機背底電荷敦應，也就是說或者是保消除隨機背底電荷敦應，也就是說或者是保證生產過程是超乾淨的。證生產過程是超乾淨的。

3.3.批量生產所需要的平板印刷術。批量生產所需要的平板印刷術。

將幾個「將幾個「 TT 」形存儲元件組織在一起，」形存儲元件組織在一起，則形成了一個位尋址則形成了一個位尋址 (addressing)(addressing) 存儲存儲晶片。讀取機制實質上就是採用庫侖振晶片。讀取機制實質上就是採用庫侖振盪的方式完成的。 盪的方式完成的。

(( 五五 ).). 奈米晶片奈米晶片

晶片可以看是積體電路塊。小型積體電路晶片可以看是積體電路塊。小型積體電路(SSI)(SSI) ，積集度中型積體電路，積集度中型積體電路 (MSI)(MSI) 大型積大型積體電路體電路 (LSI)(LSI) 超大型積體電路超大型積體電路 (LSI)(LSI) 超大型超大型積體電路積體電路 (VLSI)(VLSI) 。到。到 20012001 年已降到年已降到 0.130.13mm ，即，即 130nm130nm 。這是電子技術史上的第。這是電子技術史上的第四次重大突破。 四次重大突破。

「晶片巨人」英特爾公司於「晶片巨人」英特爾公司於 20002000 年年 1212月公布，月公布，英特爾公司用最新奈米技術研製成功英特爾公司用最新奈米技術研製成功 30nm30nm 電電晶體晶片。英特爾公司可以在未來晶體晶片。英特爾公司可以在未來 5~105~10 年內年內生產出積體有生產出積體有 44 億個電晶體、運行速度為億個電晶體、運行速度為 10G10GHzHz 、工作電壓在、工作電壓在 1V1V 以下的新型晶片。以下的新型晶片。

矽也許還可以使用矽也許還可以使用 1515 年，此後會有什麼材料年，此後會有什麼材料取代矽，那是誰也說不準的事。取代矽，那是誰也說不準的事。

在晶片上「刻畫」電路，在晶片上「刻畫」電路， 0.070.07μμmm 技術用的是技術用的是超紫外線微影照像技術超紫外線微影照像技術 (EUV(EUV ，， extremely ulextremely ultra violet lithography)tra violet lithography) ，比，比 20012001 年最先進年最先進的深紫外線微影照像技術更為先進。 的深紫外線微影照像技術更為先進。

電晶體越來越小的好處主要有兩方面：電晶體越來越小的好處主要有兩方面： 1.1. 可以用較低的成本提高現有產品性能。可以用較低的成本提高現有產品性能。 2.2. 工程師可以設計原來不可能的新產品。工程師可以設計原來不可能的新產品。

(( 五五 ).). 奈米電腦奈米電腦

(1). (1). 量子計算機量子計算機 (quantum computer)(quantum computer) 20002000 年年 88月月 1515日專電：日專電： IBMIBM公司、斯坦福大公司、斯坦福大

學、卡爾加里大學的科學家運用奈米技術，聯學、卡爾加里大學的科學家運用奈米技術，聯合研製出了合研製出了 55 個原子作為處理器和內存的高子個原子作為處理器和內存的高子計算機，並首次證明這類裝置有明顯快於常規計算機，並首次證明這類裝置有明顯快於常規計算機的運算潛力。計算機的運算潛力。

科學家成功地將量子理論和資訊科學結合起來，科學家成功地將量子理論和資訊科學結合起來，產生了一個新的領域產生了一個新的領域 ------------ 量子資訊技術量子資訊技術 (quant(quantum information technology)um information technology) 。 。

量子計算機的特點 目前正在開中的量子計算量子計算機的特點 目前正在開中的量子計算機有機有 33種類型：核磁共振種類型：核磁共振 (NMR)(NMR) 量子計算機、量子計算機、矽矽 (Si)(Si) 基半導體量子計算機和離子井基半導體量子計算機和離子井 (ion wel(ion well)l) 量子計算機。量子計算機。

1. 1. 具有真正的平行計算功能。具有真正的平行計算功能。 一個一個 400400 位長的數字要對其進行因子分解位長的數字要對其進行因子分解 (fac(fac

torization)torization) ，即使使用世界上最快的巨型機也，即使使用世界上最快的巨型機也要要 1010 億年億年 (( 人類的歷史才人類的歷史才 300300多萬多萬 )) 的時間，的時間，但若用量子計算機求解，有一年左右的時間便但若用量子計算機求解，有一年左右的時間便夠了。這種並行計算方式與傳統計算機線性運夠了。這種並行計算方式與傳統計算機線性運算方式相比，就如同萬隻飛鳥飛上天空與萬隻算方式相比，就如同萬隻飛鳥飛上天空與萬隻蝸牛排隊過獨木橋的區別。蝸牛排隊過獨木橋的區別。

2. 2. 存儲能力大大提高。存儲能力大大提高。 量子計算機中的數據是用量子位元存儲量子計算機中的數據是用量子位元存儲

的。量子位元的。量子位元 (quantum bit)(quantum bit) 具有疊加具有疊加效應效應 (superposition effect)(superposition effect) ，一個量，一個量子位元可以同時處於子位元可以同時處於 00 和和 11 兩個狀態。兩個狀態。

3. 3. 體積和功耗大幅度減小體積和功耗大幅度減小

(2).(2). 超導電腦超導電腦 所謂超導所謂超導 (superconductor)(superconductor) 是指有些是指有些

物質在接近絕對零度物質在接近絕對零度 (ok)(ok) 時，電流流動時，電流流動是無阻力的。是無阻力的。 19621962 年，英國物理學家約年，英國物理學家約瑟夫遜瑟夫遜 (Josephson)(Josephson) 提出了超隧道效應提出了超隧道效應(superconducting tunnel effect)(superconducting tunnel effect) 原理，原理，即由超導體一絕緣一超導體即由超導體一絕緣一超導體 (SIS)(SIS) 組成元組成元件。約瑟夫遜因此獲得諾貝爾獎件。約瑟夫遜因此獲得諾貝爾獎 (Nobel (Nobel Prize)Prize) 。。

用約瑟夫遜元件製成電腦，稱為約瑟夫用約瑟夫遜元件製成電腦，稱為約瑟夫遜電腦，也就是超導電腦。 遜電腦，也就是超導電腦。

(3). (3). 化學電腦化學電腦 化學電腦是採用碳化學電腦是採用碳 (C)(C) 基化學製品來代基化學製品來代替電子零件。在活的生物體內進行震盪替電子零件。在活的生物體內進行震盪化學反應，可起開關作用，以此代替電化學反應，可起開關作用，以此代替電晶體製程化學電腦。晶體製程化學電腦。

(4). (4). 生物電腦生物電腦 科學家發現，蛋白質科學家發現，蛋白質 (protein)(protein) 有開關特性，有開關特性，用蛋白質分子作元件製成的積體電路，稱為生用蛋白質分子作元件製成的積體電路，稱為生物晶片物晶片 (bio chip)(bio chip) 。使用生物晶片的電腦稱為。使用生物晶片的電腦稱為蛋白質電腦蛋白質電腦 (protein computer)(protein computer) ，或稱為生，或稱為生物電腦。物電腦。

蛋白質構成的積體電路大小只相當於矽片積體蛋白質構成的積體電路大小只相當於矽片積體電路的電路的 1010萬分之一，而且運轉速度更快，只萬分之一，而且運轉速度更快，只有有 10~11s10~11s 。。

生物晶片傳遞資訊時阻抗小，耗能低，而且具生物晶片傳遞資訊時阻抗小，耗能低，而且具有生物的具有自我組織有生物的具有自我組織 (self organization)(self organization)和自我修複和自我修複 (self repair)(self repair) 的功能。 的功能。

在生物電腦中，最誘人的設想首推在生物電腦中，最誘人的設想首推 DNADNA電腦電腦 (DNA computer)(DNA computer) ，科學家提出，科學家提出 DDNANA 電腦的原理是，電腦的原理是， DNADNA 分子之間可以分子之間可以在某種酶在某種酶 (enzyme)(enzyme) 的作用下瞬間完成的作用下瞬間完成生物化學反應，從一種基因代碼生物化學反應，從一種基因代碼 (gene c(gene code)ode) 變成另一種基因代碼。變成另一種基因代碼。

DNADNA 電腦運算速度快。存儲容量非常大，電腦運算速度快。存儲容量非常大，1m31m3 的的 DNADNA 溶液可存儲溶液可存儲 11 萬億億位數萬億億位數據。消耗的能量極低，只有一台普通電據。消耗的能量極低，只有一台普通電腦的十億分之ㄧ。 腦的十億分之ㄧ。

(5). (5). 神經電腦神經電腦 (neural computer)(neural computer) 人腦總體運行速度相當於每秒人腦總體運行速度相當於每秒 10001000萬億次的萬億次的

電腦功能，用許多為處理器摹仿人腦的神經電腦功能，用許多為處理器摹仿人腦的神經元結構，採用大量的並行分布式網路就構成元結構，採用大量的並行分布式網路就構成神經電腦。神經電腦。

日本顆學家已開發出神經電腦用的大型積體日本顆學家已開發出神經電腦用的大型積體電路晶片，在電路晶片，在 1.5 cm21.5 cm2 的矽片上可設置的矽片上可設置 400400萬個神經元和萬個神經元和 44萬個神經節，這種晶片能實萬個神經節，這種晶片能實現每秒現每秒 22 億次的運算速度。億次的運算速度。 NECNEC推出一種神推出一種神經網路聲音識別系統，能識別出任何人的聲經網路聲音識別系統，能識別出任何人的聲音，正確率達音，正確率達 99.8%99.8% 。 。

神經電腦將會廣泛應用於各領域，又被神經電腦將會廣泛應用於各領域，又被稱為人工電腦稱為人工電腦 (artifical brain)(artifical brain) ，是人，是人類開發的第六代電腦。 類開發的第六代電腦。

二、奈米光材料二、奈米光材料

(( 一一 ). ). 奈米材料的光學性能奈米材料的光學性能

奈米粒子的一個最重要的標誌是尺寸與物理的特奈米粒子的一個最重要的標誌是尺寸與物理的特徵量相差不多，小顆粒的量子尺寸效應十分顯著，徵量相差不多，小顆粒的量子尺寸效應十分顯著，大的比表面積大的比表面積 (specific surface area)(specific surface area) 使處於表使處於表面的原子、電子與處於小顆粒內部的原子、電子面的原子、電子與處於小顆粒內部的原子、電子的行為有很大 的差別，這種表面效應和量子尺寸的行為有很大 的差別，這種表面效應和量子尺寸效應效應 (quantum size effect)(quantum size effect) 對奈米微粒的光學對奈米微粒的光學性有很大的影響。 性有很大的影響。

(1). (1). 寬頻帶強吸收寬頻帶強吸收 大塊金屬具有不同顏色的光澤大塊金屬具有不同顏色的光澤 (luster)(luster) ，這顯，這顯示它們對可見光範圍各種顏色示它們對可見光範圍各種顏色 (( 波長波長 )) 的反射和的反射和吸收能力不同。而當尺寸減小到奈米級時各種吸收能力不同。而當尺寸減小到奈米級時各種金屬奈米微粒幾乎都呈黑色。它們對可見光的金屬奈米微粒幾乎都呈黑色。它們對可見光的反射率極低，這種對可見光低反射率，強吸收反射率極低，這種對可見光低反射率，強吸收率導致粒子變黑。率導致粒子變黑。

許多奈米微粒，例如許多奈米微粒，例如 Zno,Fe2O3,TiO2Zno,Fe2O3,TiO2 等，對等，對紫外光纖紫外光纖 (UV)(UV) 有強吸收作用，而次微米級的有強吸收作用，而次微米級的 TiTio2o2 對紫外光幾乎不吸收。這些奈米氧化物對紫對紫外光幾乎不吸收。這些奈米氧化物對紫外光的吸收主要來源於它們的半導體性質，即外光的吸收主要來源於它們的半導體性質，即在紫外光照射下，電子被激發由價電帶向導電在紫外光照射下，電子被激發由價電帶向導電帶躍遷帶躍遷 (transition)(transition)引起的紫外的紫外光吸收引起的紫外的紫外光吸收(UV absorption). (UV absorption).

(2). (2). 藍移和紅移現象藍移和紅移現象 與大塊材料相比，奈米微粒的吸收帶普遍存在與大塊材料相比，奈米微粒的吸收帶普遍存在

「藍移「藍移 (blue shift)(blue shift) 」現象，即吸收帶移向短波」現象，即吸收帶移向短波長方向。例如，奈米長方向。例如，奈米 SiCSiC顆粒和大塊顆粒和大塊 SiCSiC 固體固體的峰值紅外吸收頻率分別是的峰值紅外吸收頻率分別是 814cm-1814cm-1 和和 794c794cm-1m-1 。。

歸納起來有兩個方面：一是量子尺寸效應，由歸納起來有兩個方面：一是量子尺寸效應，由於顆粒尺寸下降能隙變寬，這就導致光吸收帶於顆粒尺寸下降能隙變寬，這就導致光吸收帶移向短波方向。波爾等對這種藍移現象做出了移向短波方向。波爾等對這種藍移現象做出了普通性的解釋：已被電子佔據分子軌道能階與普通性的解釋：已被電子佔據分子軌道能階與未被佔據分子軌道能階之間的寬度未被佔據分子軌道能階之間的寬度 (( 能隙能隙 ))隨顆隨顆粒直徑減小而增大，這是產生藍移的根本原因。粒直徑減小而增大，這是產生藍移的根本原因。

另一種是表面效應。由於奈米微粒顆粒小，大的另一種是表面效應。由於奈米微粒顆粒小，大的表面張力 使晶格畸變表面張力 使晶格畸變 (lattice distortion)(lattice distortion) ，晶格，晶格常數常數 (lattice constant)(lattice constant) 變小。鍵長的縮短導致奈變小。鍵長的縮短導致奈米微粒的鍵本徵振動頻率米微粒的鍵本徵振動頻率 (intrinsic vibration fr(intrinsic vibration frequency)equency)增大，結果使紅外光吸收帶移向了高波增大，結果使紅外光吸收帶移向了高波數數 ((低波長低波長 )) 。 。

在一些情況下，粒徑減小至奈米級時，可以觀察在一些情況下，粒徑減小至奈米級時，可以觀察到光吸收帶相對粗晶材料呈現「紅移到光吸收帶相對粗晶材料呈現「紅移 (red shift)(red shift)增大」現象。即吸收帶移向長波長。粒徑減小的增大」現象。即吸收帶移向長波長。粒徑減小的同時，顆粒內部的內應力會增加，這種壓應力的同時，顆粒內部的內應力會增加，這種壓應力的增加會導致能帶結構的變化，結果帶隙、能階間增加會導致能帶結構的變化，結果帶隙、能階間距變窄，這就導致電子由低能階向高能階及半導距變窄，這就導致電子由低能階向高能階及半導體電子由價電帶到導電帶躍遷引起的光吸收帶和體電子由價電帶到導電帶躍遷引起的光吸收帶和吸收邊界發生紅移。 吸收邊界發生紅移。

(3). (3). 量子限域效應量子限域效應 半導體奈米微粒的粒徑半導體奈米微粒的粒徑 r<aB(aBr<aB(aB 為激為激 (ex(ex

citon),citon), 玻爾半徑時，電子的平均自由程玻爾半徑時，電子的平均自由程受小粒徑的限制，電洞很容易與它形成激受小粒徑的限制，電洞很容易與它形成激子，引起電子和電洞波函數的重疊，這就子，引起電子和電洞波函數的重疊，這就很容易產生激子吸收帶。很容易產生激子吸收帶。

(4). (4). 奈米微粒的發光奈米微粒的發光 當奈米微粒的尺寸小到一定值時可在一定當奈米微粒的尺寸小到一定值時可在一定

波長的光激發下發光。波長的光激發下發光。 19901990 年，日本佳年，日本佳能能 (Canon)(Canon) 研究中心的塔貝機研究中心的塔貝機 (Tabagi)(Tabagi)發現，粒徑小於發現，粒徑小於 6nm6nm 的矽由紫外光激發的矽由紫外光激發可引發其發射可見光。 可引發其發射可見光。

(5). (5). 奈米微粒分散物系的光學性質奈米微粒分散物系的光學性質 奈米微粒分散介質中形成分散物奈米微粒分散介質中形成分散物 ((溶膠溶膠 sol)sol) ，，

奈米微粒在這裡又稱作膠體粒子奈米微粒在這裡又稱作膠體粒子 (gel particle)(gel particle)或分散相或分散相 (dispersion phase)(dispersion phase) 。由於在溶膠中。由於在溶膠中膠體的高分散性和不均勻性使得分散物系具有膠體的高分散性和不均勻性使得分散物系具有特殊的光學特徵。特殊的光學特徵。

當分散粒子的直徑大於投射光波波長時，光投當分散粒子的直徑大於投射光波波長時，光投射到粒子上就被反射。如果粒子直徑小於入射射到粒子上就被反射。如果粒子直徑小於入射光波的波長，光波可以繞過粒子而向各方向傳光波的波長，光波可以繞過粒子而向各方向傳播，發生散射，散射出來的光，即所謂乳光播，發生散射，散射出來的光，即所謂乳光 (op(opalescence)alescence) 。由於奈米微粒直徑比可見光的波。由於奈米微粒直徑比可見光的波長要小得多，所以奈米微粒分散系應以散射的長要小得多，所以奈米微粒分散系應以散射的作用為主。 作用為主。

(( 二二 ). ). 光子晶體和光子存儲光子晶體和光子存儲 (1). (1). 光子晶體光子晶體 1. 1. 光子晶體的製造光子晶體的製造 光子晶體光子晶體 (photonic crystals)(photonic crystals)或光帶或光帶隙材料隙材料 (photonic band gap material)(photonic band gap material) 的的概念最初是由亞布諾比奇概念最初是由亞布諾比奇 (yablonobitch)(yablonobitch)提出來的。如在均勻的光學介質中引入折射提出來的。如在均勻的光學介質中引入折射率率 (refractive index)(refractive index) 的各種空間週期調變的各種空間週期調變(modulation)(modulation) ，而折射率的調變幅度又足，而折射率的調變幅度又足夠大，則該材中就會存在光學帶隙效應，即夠大，則該材中就會存在光學帶隙效應，即對於一定頻率範圍的光波被禁止在材料中傳對於一定頻率範圍的光波被禁止在材料中傳播。這種折射率的週期網格可稱為光子晶體。播。這種折射率的週期網格可稱為光子晶體。

優質天歐泊優質天歐泊 (natural Opal)(natural Opal) 是一種優良的是一種優良的三維光子晶體材料，它是由直徑約為三維光子晶體材料，它是由直徑約為 150~150~400nm400nm 的單分數的單分數 (mono dispersion)(mono dispersion) 、單、單尺寸二氧化矽微球三維有序排列而成，其尺寸二氧化矽微球三維有序排列而成，其工作波段可見光範圍內。工作波段可見光範圍內。

2. 2. 光子晶體的應用光子晶體的應用 光子晶體具有一個完全的光子禁帶光子晶體具有一個完全的光子禁帶 (photo(photo

n forbidden band)n forbidden band) 和光子局域和光子局域 (photon l(photon localization)ocalization) 的特徵，使得它具有廣泛而重的特徵，使得它具有廣泛而重要的應用。要的應用。

a. a. 高效率低損反射鏡高效率低損反射鏡 由於光子晶體中不允許光子頻率禁帶由於光子晶體中不允許光子頻率禁帶範圍內的光子的存在，所以當一束在光子範圍內的光子的存在，所以當一束在光子頻率禁帶範圍內的光子入射到光子晶體上頻率禁帶範圍內的光子入射到光子晶體上時，這束光子將會被全反射回去。 時，這束光子將會被全反射回去。

b. b. 光子晶體微諧振腔光子晶體微諧振腔 光子晶體微諧振腔的品質因數可以做得很高，光子晶體微諧振腔的品質因數可以做得很高，

是採用其他材料製作的諧振腔所無法達到的。是採用其他材料製作的諧振腔所無法達到的。 c. c. 高效率發光二極體高效率發光二極體 (LED,light emitting diode)(LED,light emitting diode)

和低 臨限值雷射振盪和低 臨限值雷射振盪 一般的發光二極體發光中心發出的光經過包一般的發光二極體發光中心發出的光經過包圍它的介質的無數次的反射，大部分的光不能有效圍它的介質的無數次的反射，大部分的光不能有效地耦地耦 (coupling)(coupling) 出去，從而使得二極體的光輻射效出去，從而使得二極體的光輻射效率率 (radiation efficiency)(radiation efficiency)很低。很低。

實驗顯示，採用光子晶體後，發光二極體的效率會實驗顯示，採用光子晶體後，發光二極體的效率會從目前的從目前的 10%10%左右提高到左右提高到 90%90% 以上。這是因光子以上。這是因光子晶體對位於其光子頻率禁帶範圍內的電磁波具有抑晶體對位於其光子頻率禁帶範圍內的電磁波具有抑制作用雷射中因自發輻射引起的損耗會大大降低。 制作用雷射中因自發輻射引起的損耗會大大降低。

d. d. 寬帶帶阻濾波器寬帶帶阻濾波器 (band reject filter)(band reject filter) 和和極窄帶選頻濾波器極窄帶選頻濾波器 (band pass filter)(band pass filter)

利用光子晶體的光子頻率禁帶特性可利用光子晶體的光子頻率禁帶特性可以實現對光子的極優良的濾波性能。 以實現對光子的極優良的濾波性能。

(2)(2) 光子存儲光子存儲 近年來隨著多媒體近年來隨著多媒體 (multi media)(multi media) 技術的發技術的發

展，對計算機外存的容量和速度不斷提出更高的展，對計算機外存的容量和速度不斷提出更高的要求。新一代的高密高速數字光存儲技術的研究，要求。新一代的高密高速數字光存儲技術的研究，對解決這一問題有著很大的潛力。光資訊存儲已對解決這一問題有著很大的潛力。光資訊存儲已成為當今公認的前瞻科學領域的重大課題之一。成為當今公認的前瞻科學領域的重大課題之一。

1. 1. 光子存儲原理光子存儲原理 光子存儲的基本原理是基於光子同物質之間光子存儲的基本原理是基於光子同物質之間

的直接相互作用，導致記錄介質的直接相互作用，導致記錄介質 (recording me(recording medium)dium)產生能夠識別的物理和化學等性質的變化，產生能夠識別的物理和化學等性質的變化，從而達到資訊記錄的目的。 從而達到資訊記錄的目的。

光子存儲記錄方式有以下幾種：光子存儲記錄方式有以下幾種：

11 斑點式斑點式 22 矢量式矢量式 33 圖像式圖像式 44 全像式全像式 (holography) (holography)

2. 2. 光子存儲介質和方式光子存儲介質和方式 a. a. 有機光致變色有機光致變色 (organic photo chromic)(organic photo chromic) 化合化合

物用作光存介質物用作光存介質 優點表現有以下幾個方面：優點表現有以下幾個方面： 存儲密度，存儲容量大存儲密度，存儲容量大 靈敏度靈敏度 (sensitivity)(sensitivity) 高、響應速度高、響應速度 生產成本低、容易加工。生產成本低、容易加工。 信噪比信噪比 (S/N ratio)(S/N ratio) 大大 抗磁性能好抗磁性能好 光學性能可通過改變分子結構來調整光學性能可通過改變分子結構來調整 毒性小。 毒性小。

實際應用前景的光致變色材料應具備下列件：實際應用前景的光致變色材料應具備下列件： 有良好的抗疲勞性能有良好的抗疲勞性能 熱穩定性好，能長期保存資訊熱穩定性好，能長期保存資訊 靈敏度高靈敏度高 (sensitivity)(sensitivity) 能與商品化半導體雷射匹配使用。能與商品化半導體雷射匹配使用。 允許非允許非 ((或低或低 ))破壞性讀出。破壞性讀出。 溶解性能好，便於用旋轉塗布法溶解性能好，便於用旋轉塗布法 (spin-coating)(spin-coating)製作記錄層。製作記錄層。

呈色體在無色體的激發光的光譜範圍內吸收很弱。呈色體在無色體的激發光的光譜範圍內吸收很弱。

b. b. 體相三維光存儲體相三維光存儲 現有的記憶體，如電子隨機存取記憶現有的記憶體，如電子隨機存取記憶

體，即體，即 RAM(random access memory)RAM(random access memory)磁碟及目前使用的光碟，其二維的屬性必磁碟及目前使用的光碟，其二維的屬性必然限代表著記憶體的發展方向。某一單一然限代表著記憶體的發展方向。某一單一技術可以同時具有最大的存儲容量，最高技術可以同時具有最大的存儲容量，最高的處理速度。三維體相存儲是最有望解決的處理速度。三維體相存儲是最有望解決這一問題的一個方向。 這一問題的一個方向。

三維光資訊存儲元件與現有的二維光學存儲元件相三維光資訊存儲元件與現有的二維光學存儲元件相比有以下優點：比有以下優點：

巨大的資訊存儲容量，可高達約巨大的資訊存儲容量，可高達約 1013bits/cm31013bits/cm3 任意和平行存取。任意和平行存取。 極快的寫入和讀出並可一次寫入一個版面的資訊量。極快的寫入和讀出並可一次寫入一個版面的資訊量。 可成較小的尺寸且成本低廉。可成較小的尺寸且成本低廉。 不需要複雜的機械或移動零件。不需要複雜的機械或移動零件。 相鄰資訊間串音較小。相鄰資訊間串音較小。 用可擦重寫材料如光致變色用可擦重寫材料如光致變色 (photo chromic)(photo chromic) 材料材料可研製可重寫元件。可研製可重寫元件。

高敏感度可實現三維空間的任意存儲、檢索高敏感度可實現三維空間的任意存儲、檢索 (index)(index)和擦除和擦除 (erase)(erase) 。。

(( 三三 ). ). 量子點雷射量子點雷射 (1)(1) 量子點雷射的製造量子點雷射的製造 現在，量子井雷射已經達到臨限值電現在，量子井雷射已經達到臨限值電流流 0.21ma/cm20.21ma/cm2 、帶寬、帶寬 30GHZ30GHZ 和譜線寬和譜線寬度度 20kHZ20kHZ ，這確定了量子了雷射的優異的，這確定了量子了雷射的優異的性能。性能。

半導體雷射大量應用於光纖通訊、光碟存半導體雷射大量應用於光纖通訊、光碟存取、顯示器等。用分子束磊晶取、顯示器等。用分子束磊晶 (MBE)(MBE) 技術技術製造量子井、超晶格製造量子井、超晶格 (superlattice)(superlattice) 是很成是很成功，量子線、量子點直至現在還沒有一個功，量子線、量子點直至現在還沒有一個理想的製造方法。 理想的製造方法。

1. 1. 自組織生長量子點自組織生長量子點 量子點的製造方法有：以分子束磊量子點的製造方法有：以分子束磊 (MBE)(MBE) 為為

基礎的自組織生長、化學反應生基礎的自組織生長、化學反應生 (chemical reacti(chemical reaction growth)on growth) 和電子束刻蝕和電子束刻蝕 (e-beam etching)3(e-beam etching)3 大大類，以及這些方法的整合使用。類，以及這些方法的整合使用。

自組織生長量子點，是利用兩種材料晶格常自組織生長量子點，是利用兩種材料晶格常數數 (lattice constant)(lattice constant) 不匹配不匹配 (mis-match)(mis-match) 的特點，的特點，採用傳統的分子束磊晶採用傳統的分子束磊晶 (MBE)(MBE)或金屬有機氣相磊或金屬有機氣相磊晶晶 (MOVPE)(MOVPE) 方法，在一種材料的襯底上生長另一方法，在一種材料的襯底上生長另一種材料的量子點。這稱為斯特蘭斯基種材料的量子點。這稱為斯特蘭斯基 --克拉斯塔馬克拉斯塔馬諾夫諾夫 (Stranski-Krastamanov)(Stranski-Krastamanov) 生長模式，簡稱生長模式，簡稱 SSKK模式。模式。

2. 2. 罩幕表面選擇局生長法 罩幕表面選擇局生長法

(2). (2). 量子線、量子點雷射的優點量子線、量子點雷射的優點

1. 1. 高增益、低臨限值電流高增益、低臨限值電流 2. 2. 高微分增益和調變頻率高微分增益和調變頻率 3. 3. 譜線特性改善 譜線特性改善

(( 四四 ). ). 光電腦光電腦 19901990 年，美國的貝爾實驗年，美國的貝爾實驗 (Bell Laborato(Bell Laborato

ry)ry)推出了一臺由雷射、透鏡、反射鏡推出了一臺由雷射、透鏡、反射鏡 (refl(reflection mirror)ection mirror) 等組成的電腦。這就是光等組成的電腦。這就是光計算機計算機 (photo computer)(photo computer) 雛形。光計算雛形。光計算機又叫光腦機又叫光腦 (optical computer)(optical computer) 。。

電腦是靠電荷在線路中流動來處理資訊的，電腦是靠電荷在線路中流動來處理資訊的，而光腦則是靠雷射束進入由反射鏡和透鏡而光腦則是靠雷射束進入由反射鏡和透鏡組成的陣列來對資訊進行處理的，光腦也組成的陣列來對資訊進行處理的，光腦也靠產生一系列邏輯操作靠產生一系列邏輯操作 (logic operation)(logic operation)來處理和解決問題。 來處理和解決問題。

電腦的功率取決於其組成零件的運行速度電腦的功率取決於其組成零件的運行速度和排列密度，光在這兩個方面都很理想。和排列密度，光在這兩個方面都很理想。雷射束對資訊的處理速度可達現有半導體雷射束對資訊的處理速度可達現有半導體矽元件的矽元件的 10001000 倍。倍。

光腦的許多關鍵技術，如光存儲技術、光光腦的許多關鍵技術，如光存儲技術、光互聯技術、光電子積體電路互聯技術、光電子積體電路 (photo electr(photo electron integrated circuit)on integrated circuit) 等都已獲得突破。等都已獲得突破。光腦的應用將使資技術產生飛躍。 光腦的應用將使資技術產生飛躍。

三、奈米磁性材料三、奈米磁性材料 (( 一一 ). ). 奈米材料的磁特性奈米材料的磁特性 奈米微粒的主要磁特性可以歸納如下：奈米微粒的主要磁特性可以歸納如下：1. 1. 超順磁性超順磁性 奈米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁奈米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁 (sup(sup

er paramagnetism)er paramagnetism)狀態。狀態。 超順磁狀態的起源可歸為以下原因：在小尺寸下，超順磁狀態的起源可歸為以下原因：在小尺寸下，當各向異性當各向異性 (anisotropic)(anisotropic) 能減小到與熱運動能可能減小到與熱運動能可相比擬時，磁化相比擬時，磁化 (magnetization)(magnetization) 方向就不再固方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規律的變定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規律的變化，結果導致超順磁性的出現。 化，結果導致超順磁性的出現。

2. 2. 矯頑力矯頑力 奈米微粒尺寸高於超順磁臨界尺寸時通常呈現奈米微粒尺寸高於超順磁臨界尺寸時通常呈現

高的矯頑力高的矯頑力 (coercive force)Hc.(coercive force)Hc. 。。 對於奈米微粒高矯頑力的起源有兩種解釋：一對於奈米微粒高矯頑力的起源有兩種解釋：一致轉動模式和球鏈反轉磁化模式。致轉動模式和球鏈反轉磁化模式。

一致轉動磁化模式基本內容是：當粒子尺寸小一致轉動磁化模式基本內容是：當粒子尺寸小到某一尺寸時，每個粒子就是一個單磁疇到某一尺寸時，每個粒子就是一個單磁疇 (singl(single magnetic domain)e magnetic domain) 每個單磁疇的奈米微粒實每個單磁疇的奈米微粒實際上成為一個永久磁際上成為一個永久磁 (permanent magnet)(permanent magnet) ，，要使這個磁鐵去掉磁性，必須使每個粒子整體要使這個磁鐵去掉磁性，必須使每個粒子整體磁矩磁矩 (magnetic moment)(magnetic moment)反轉，這需要很大反轉，這需要很大的反磁場，即具有較高的矯頑力。的反磁場，即具有較高的矯頑力。

3. 3. 居里溫度居里溫度 對於奈米微粒，由於小尺寸效應和表面效對於奈米微粒，由於小尺寸效應和表面效

應而導致奈米粒子的本徵的磁性變化，因應而導致奈米粒子的本徵的磁性變化，因具有較低居里溫度。具有較低居里溫度。

4. 4. 磁化率磁化率 奈米微粒的磁性與它所含的總電子數的奇奈米微粒的磁性與它所含的總電子數的奇偶性密切相關。偶性密切相關。

(( 二二 ). ). 奈米磁性材料的應用奈米磁性材料的應用 (1)(1)巨磁阻材料巨磁阻材料 磁性金屬和合金磁性金屬和合金 (alloy)(alloy) 一般都有磁電一般都有磁電阻阻 (magneto resistance)(magneto resistance) 現象，所謂磁電現象，所謂磁電阻是指在一定磁場下的電阻改變的現象，阻是指在一定磁場下的電阻改變的現象，人們把這種現象稱為磁電阻。人們把這種現象稱為磁電阻。

所謂巨磁阻所謂巨磁阻 (GMR,gaint magneto resista(GMR,gaint magneto resistance)nce) 就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數值約高料的磁電阻數值約高 1010 餘倍。 餘倍。

19881988 年法國巴黎大學年法國巴黎大學 (Paris University)(Paris University)的肯特教授研究組首先在的肯特教授研究組首先在 Fe/CrFe/Cr 多層膜中多層膜中發現了巨磁阻效應，這在國際上引起了很發現了巨磁阻效應，這在國際上引起了很大的反響。大的反響。

19941994 年年 IBMIBM公司研製成巨磁阻效應的讀出公司研製成巨磁阻效應的讀出磁頭，將磁碟記錄密度一下子提高了磁頭，將磁碟記錄密度一下子提高了 1717 倍，倍，從而在與光碟競爭中磁碟從而在與光碟競爭中磁碟 (magnetic disk)(magnetic disk)重新處於領先地位。 重新處於領先地位。

利用巨磁阻效應在不同的磁化狀態具有不利用巨磁阻效應在不同的磁化狀態具有不同電阻值的特點，可以製成磁隨機記憶體同電阻值的特點，可以製成磁隨機記憶體(MRAM,magnetic random access mem(MRAM,magnetic random access memory)ory) ，其優點是在無電源的情況下可繼續，其優點是在無電源的情況下可繼續保留資訊。保留資訊。

利用自旋極化效應利用自旋極化效應 (spin polarization effe(spin polarization effect)ct) 的自旋電晶體的自旋電晶體 (spin transistor)(spin transistor) 設想亦設想亦被提出來了。 被提出來了。

(2). (2). 磁記錄材料磁記錄材料 1. 1. 奈米顆粒磁記錄材料奈米顆粒磁記錄材料 作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須

滿足以下要求：顆粒的長度應遠小於記錄波滿足以下要求：顆粒的長度應遠小於記錄波長；粒子的寬度應該遠小於記錄深度；一個長；粒子的寬度應該遠小於記錄深度；一個單位記錄體積中，應盡可能有更多的磁性粒單位記錄體積中，應盡可能有更多的磁性粒子。子。

作為磁記錄作為磁記錄 (magnetic recordint)(magnetic recordint) 的粒子的粒子要求為單磁疇針狀粒，其體積要求儘量小，要求為單磁疇針狀粒，其體積要求儘量小，但不得小於變成超順磁性的臨界尺但不得小於變成超順磁性的臨界尺 ((約約 10n10nm)m) 。。

2. 2. 磁記錄薄膜磁記錄薄膜 為了進一步提高磁存儲的密度和容量，就需為了進一步提高磁存儲的密度和容量，就需

要不斷減小磁頭的體積，同時還要減小磁記錄介要不斷減小磁頭的體積，同時還要減小磁記錄介質的厚度。因此薄膜磁頭材料與薄膜磁存儲介質質的厚度。因此薄膜磁頭材料與薄膜磁存儲介質是磁毀材料當前發展的主要方向之一。是磁毀材料當前發展的主要方向之一。

對於磁頭材料，需要其具有典型昉軟磁對於磁頭材料，需要其具有典型昉軟磁 (soft ma(soft magnet)gnet) 特性，即飽和磁化強度高、矯頑力低、導特性，即飽和磁化強度高、矯頑力低、導磁率高、磁致伸縮係數低、允許使用頻率高。磁率高、磁致伸縮係數低、允許使用頻率高。

磁記錄介質，則要求其具有典型的硬磁磁記錄介質，則要求其具有典型的硬磁 (hard ma(hard magnet)gnet) 性能，即飽和磁化強度高、剩餘磁感應性能，即飽和磁化強度高、剩餘磁感應 (re(residual magnetic induction)sidual magnetic induction)強度高以及要有適強度高以及要有適當的矯頑力水準。 當的矯頑力水準。

十一、結語十一、結語 11 、儘管奈材料有新穎的電學性能、光學性能以及磁、儘管奈材料有新穎的電學性能、光學性能以及磁

性能，而且利用這些性能可以製造許多功能各異的奈性能，而且利用這些性能可以製造許多功能各異的奈米元件，但是我們必須認識到目前的工業技術水準還米元件，但是我們必須認識到目前的工業技術水準還不足以在分子量級不足以在分子量級 (molecular scale)(molecular scale) 上進行操作，上進行操作，也就是說，奈米元件真正應用於工業生產還有一段距也就是說，奈米元件真正應用於工業生產還有一段距離。必須發展新的更為高級的工業技術。 離。必須發展新的更為高級的工業技術。

22 、奈米材料必將作為材料科學領域的一朵奇葩展現、奈米材料必將作為材料科學領域的一朵奇葩展現在新材料、資訊、能源等各個領域，而且將會發揮舉在新材料、資訊、能源等各個領域，而且將會發揮舉足輕重的作用。 足輕重的作用。

33 、諾貝爾物理獎、諾貝爾物理獎 (Nobel Prize)(Nobel Prize) 的勞雷爾所說，曾的勞雷爾所說，曾重視微米技術的國家今天都已是發達國家；現在重視重視微米技術的國家今天都已是發達國家；現在重視奈米科技的國家將有希在未來社會發展中走在前面。奈米科技的國家將有希在未來社會發展中走在前面。