光電三乙 499L0011 張祥峰光電三乙 499L0013 劉柏均光電三乙 499L0017 陳琮祐光電三乙 499L0028 王昇德

奈米光電三乙 499L0011 張祥峰光電三乙 499L0013 劉柏均光電三乙 499L0017 陳琮祐光電三乙 499L0028 王昇德

目錄 • 奈米的定義 • 奈米結構的特性 • 奈米的應用 • 參考資料

奈米的定義 所謂的奈米實際上是一個度量單位nanometer(nm)的譯名，指的是十億分之一公尺(1nm=10-9m)，也就是百萬分之一公釐。被認為愛因史丹之後最傑出的量子物理學家理查‧費曼，在1959年的美國物理學年會上發表( "There’s plenty of room at the bottom", 1959 )　的演講提出了有關奈米科技實質應用的假設：「物理學的原理並未否決原子層次上製造器具的可能性，如果有朝一日人類可以隨意操控原子，讓每一位元資訊存在一百個原子上，全世界重要藏書的儲存僅需要一粒塵埃的空間就夠了。」，這被公認為是奈米科學技術思想的來源。他在這篇演講中所做的驚世預言"至少依我來看，物理學的規律不排除一個原子一個原子地製造物品的可能性"。隨著科學和技術的發展和理論的不斷創新，科學家回歸到對現實的物質世界進行進一步的深入觀察研究。

奈米結構的特性 奈米材料具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性，如原本導電的銅到某一奈晶體等，在某一奈米級界限時開始導電。這是由於奈米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，以及其特有的三大效應：小尺寸效應和宏觀量子隧道效應、表面效應。

小尺寸效應 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的巨集觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對奈米微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生新奇的性質如(1)特殊的光學性質、(2)特殊的熱學性質、(3)特殊的磁學性質、(4)特殊的力學性質。碳60(球與棍模型) 螺旋型碳奈米管

表面效應 球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積／體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分數將會顯著地增加。對直徑大於 0.1 微米的顆粒表面效應可忽略不計，當尺寸小於 0.1 微米時，其表面原子百分數激劇增長，甚至 1 克奈米微顆粒表面積的總和可高達100 米 2，這時的表面效應將不容忽略。奈米微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金奈米微顆粒（直徑為 2x10-3微米）進行電視攝像，實時觀察發現這些顆粒沒有固定的形態，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體多李晶等），它既不同於一般固體，又不同於液體，是一種准固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態，尺寸大於 10 奈米後才看不到這種顆粒結構的不穩定性，這時微顆粒具有穩定的結構狀態。奈米微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可採用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而緻密的氧化層，確保表面穩定化。利用表面活性，金屬奈米微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。

量子及量子穿隧效應 各種元素的原子具有特定的光譜線。原子模型與量子力學已用能級的概念進行了合理的解釋，由無數的原子構成固體時，單獨原子的能級就並合成能帶，由於電子數目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續的，從能帶理論出發成功地解釋了大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯系與區別，對介於原子、分子與大塊固體之間的奈米微顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級﹔能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。例如，導電的金屬在奈米微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數還是偶數有關，比熱亦會反常變化，光譜線會產生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現。因此，對奈米微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應，原有宏觀規律已不再成立。電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。

奈米的應用 由於奈米材料許多性質與塊材不同，所以在開發奈米材料領域上，往往有著令人驚奇的發現，如碳奈米管有優越的場發射(field emission)性質，可作場發射顯示器電子供應源；奈米複合材料補強高分子，使材料達到較佳的狀態；奈米半導體光學性質如硒化鎘半導體粒子隨粒徑大小、形狀變化而有所不同，利用此性質可調變所希望的光源波長等。奈米科技其實並不是一種新的科技，它沒有我們想像中的那麼遙不可及。目前工研院化工所，正致力於奈米科技在傳統產業上的應用，奈米科技的介紹與應用以提高傳統產業的附加價值。奈米的金屬觸媒可增加反應活性、去除毒性物質及減少環境污染；具有奈米結構的的鋼鐵材料可以提升強度及成型性，使鋼鐵材料具有更好的性能；在基板材料中添加機能性奈米玻璃粉，可以提升印刷電路板的熱性質及電性質；添加奈米級的碳酸鈣於塑料中，可提高耐衝擊強度，添加於塗料中，可改進流變性；在高分子材料中添加奈米級無機材料，可增加機械強度、熱性質、光學性質、阻氣性質、耐化性等；可錄式光記錄媒體運用奈米技術，可藉由雷射光束的照射加熱，在記錄膜層產生奈米結構變化，使具有光全域、高密度、高倍速、高耐光性、高耐候性及低成本等優點。

奈米的應用 奈米硬碟今日的數位儲存元件已迫近物理上的極限，容量無法再增加。千足計畫中的「奈米硬碟」，是一種由奈米級零件構成的微機械元件，卻有能力在現行科技技窮之處大展身手。或許奈米硬碟初期的應用還算有趣，但稱不上驚天動第，畢竟有數 GB容量的快閃記憶卡早已上市。「千足」吸引人之處，在於它儲存數位資料的方法，與磁性硬碟、光碟及以電晶體為主的記憶晶片完全不同。這些成熟的科技在數十年間歷經了驚人的進步，然而目前已即將進入尾聲，物理上的極限已隱約出現在前方。第一批奈米機械硬碟只不過是牛刀小試，未來還有數十年的改進空間。原則上，「千足」這類的未來裝置所讀寫及清除的數位位元會愈來小，小到一個位元就是一個分子甚至原子。一旦可移動零件變得愈小，它們就工作得愈快，電力的使用也會更有效率。首件使用「千足」技術的產品，應該是高容量的資料儲存卡，可以應用在相機、行動電話或其他可攜式裝置上。在這些裝置上，奈米硬碟卡運作的方式與現今的快閃記憶卡大致相同，但它能夠以較低的價格提供數GB的容量。這個技術對材料科學、生物科技或是目前仍不可預見的各項應用，也可能會帶來極大的助益。解釋：1.千足：採用排列成格狀的微型懸臂，在聚合物介質上讀、寫及清除資料。懸臂的探針在塑膠表面戳出凹陷做為位元 1；沒有凹陷代表位元 0。

奈米的應用 食品包裝大陸的葵花籽包裝、歐洲的啤酒瓶、美國的果汁瓶，在食品包裝上添加了奈米顆粒，延長保存期限。食品保存最怕氧氣，容易孳生細菌。在塑膠袋（聚乙烯）、保特瓶（聚酯纖維）等高分子聚合物中添加奈米顆粒，可以增加分子間的緻密程度，使得氧氣不易進出，提高阻擋氧氣的能力。建築材料在陶瓷表面覆蓋具有抗菌能力的奈米微細釉藥，製造出不沾污垢、抗菌的一系列衛浴設備，即是一例。不只是室內，日本高速公路圍牆在表面塗上TiO2光觸媒的奈米顆粒，有效分解空氣中的硝化物、硫化物，使建材外觀如新亮麗，並能減少空氣污染。因為汽、機車排放的廢氣含有硝化物、硫化物，它們不但造成空氣污染，遇水還會變成酸性物質，腐蝕建材。歐洲也將此項奈米技術應用於古蹟維護，希望歷經幾世紀風吹雨打的大教堂、雕塑、壁畫等藝術品，能夠減緩被酸雨侵蝕的速度，延長壽命。

奈米的應用 交通未來汽車、飛機的重量會更輕，更省電，也更環保。德國汽車正研發新型擋風玻璃，以奈米級的玻璃顆粒混上塑膠，重量不但大大減輕，而且不沾雨絲，不著污垢。汽車的汽缸若是使用奈米材料，碳氫化合物等氣體不易逸散出去，減少廢氣排放量。如果，車身塗上奈米粉體，由於奈米顆粒結合緊密，㆒點也不用擔心車身會留下刮痕。滿街跑的是太陽能電動汽車，者人人手上拿的是可待機數百小時的行動電話，也會因奈米技術成真。因為在電池添加了奈米級鋰顆粒，能夠大幅延長供電時間，縮短充電時間，會是未來電池的主流。

奈米的應用 衣服紡織業因應消費者對於抗紫外線、保暖和抗菌防臭的需求，而發展出各種以奈米纖維製做的衣物。一般而言，羊毛和聚酯纖維的紫外線透光率最低；深色的透光率比淺色的低。夏天穿起來較舒適的棉、麻衣服，反而對紫外線無防護作用，因此，把會吸收紫外線的二氧化鈦、氧化鋅等金屬氧化物做成奈米粉體，再以嵌入或塗佈的方式，使紡織纖維中結合住這些微粒，便可以加強它們吸收紫外線的能力。遠紅外線保暖衣物也應用到奈米科技，陶瓷材料含有許多金屬氧化物，最能發射出遠紅外線，做成陶瓷微粉之後，效果更好。陶瓷微粉以吸附或加入樹脂塗層劑的方式固著在纖維中，衣服穿上，遠紅外線被人體吸收，產生熱能，進而促進體內血液循環。抗菌防臭的原理主要是利用金屬離子，尤其是銀離子，這些金屬吸附細菌的酵素，使它們失去功能而遭到破壞。，這種反應還會發生，達到個個擊破的效果。有些金屬例如銅、鋅，除臭效果。將這些金屬做成奈米大小的微粒混入紡絲，做成衣服、口罩、襪子等，就可抑制細菌的滋生，把臭氣分解掉。

奈米的應用 光觸媒光觸媒的原理，簡單來說，當紫外線照射到光觸媒表面時，氧氣及水分會轉換成極具活性的氫氧自由基，並產生強烈的氧化還原反應，可以將附著在表面上的污垢分解成水和二氧化碳。此外，光觸媒還具有高親水性的自潔（自我潔淨）作用，當光觸媒吸收光源後，附著在表面的水分會變成超親水性的水膜，如同㆒層透明保護層，水分及污垢不易凝結沾附在表面上，除了防霧之外，也可常保清潔。一般運用在汽車後照鏡、公路路燈及建築物外牆。醫療應用在生物醫學方面，未來奈米技術可以研發出一種極小的糖尿病感應器（模仿人體中葡萄糖偵測系統），把感應器植入皮下，可以監測血糖濃度，在需要時釋出胰島素。也可以用程式控制分子的行為，而達到控制生物體的目的。如此就可以靠近、進入癌細胞，發 T 細胞釋出殺死癌細胞的酵素，是催動噬菌搜尋並殺死癌細胞，甚至讓癌細胞「自我毀滅」。醫療器材愈來小，也意味著，可以研發出奈米機器人，在體內治療血管、器官疾病，甚至修正 DNA，也可以癌症細胞加以破壞而不傷及正常細胞。

奈米的應用 顯示器東元奈米應材總經理陳國榮表示，所謂的奈米碳管（Carbon Nano Tube，簡稱 CNT）指的是一種由碳組成、體積十分微小的奈米材料（直徑約 10〜100奈米），具有易導電和抗化學腐蝕的特性。利用奈米碳管的場發射電子打擊螢光粉而發光，具有高亮度、反應速度快、省電的優點，而且將「薄如紙張」，未來的顯示器有可能因此「隨身帶」。「和 TFT-LCD（液晶螢幕顯示器）或是 PDP（電漿電視）相比，CNT-FED的最大優勢在於製程簡單，和原本生產 CRT 螢幕（傳統陰極射線管顯示器）的 know-how差不多，」陳國榮說，「奈米碳管未來甚至可應用在照明、發光元件上，出路很廣，」陳國榮樂觀地估計，在大尺寸螢幕的競爭上，CNT-FED除了原料成本較貴之外，其它部份都勝過 TFT-LCD和 PDP；況且全球只有南韓和台灣在角逐這塊餅，技術差距又不大，前景十分看好。

參考資料 • http://yes.nctu.edu.tw/Lecture/NewTech/C05/nano/nano.htm • http://163.13.111.70/group_teaching/nano_mat_fig_snapshots.htm • http://nano.mse.ttu.edu.tw/html/doc/Class01_Intro/2.pdf • http://www.shs.edu.tw/works/essay/2007/10/2007102322283237.pdf • http://www.shs.edu.tw/works/essay/2006/10/2006103116343671.pdf

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