奈米科技 ( 上 )

1. 奈米科技(上) Nanotechnology

2. 奈米科技是許多如生物、物理、化學等科學領域在技術上的次級分類，美國的國家奈米科技啟動計劃(National Nanotechnology Initiative)將其定義為「1至100奈米尺寸尤其是現存科技在奈米規模時的延伸。

3. 奈米尺度 • 奈米是長度單位名稱， 1nm=10-9 m。 • 奈米大約是一根頭髮直徑的十萬分之一。 • 頭髮直徑大約100 μm= 100x10-6m • 奈米大約是原子直徑的3~5倍。 • 因此奈米尺度是介於微米尺度~原子尺度之間的尺寸大小。

4. 在最佳的情況下，人眼的鑑別率約為0.2mm，古有云明察秋毫(毫米)。在最佳的情況下，人眼的鑑別率約為0.2mm，古有云明察秋毫(毫米)。 • 光學顯微鏡約為0.2μm，所以顯微鏡可輕易看見細胞。 • 電子顯微鏡是觀察電子訊號的一種顯微技術，其鑑別率大約在3~0.2nm之間，分辨原子有點難。 • 因此傳統的顯微技術是無法看清楚固體表面原子排列的情形。

5. 100 μm 顯微技術 • 1981年，美國IBM公司所屬的兩名科學家，德國人賓尼格與瑞士人羅勒，發明了「掃描穿隧顯微鏡」，簡稱為STM，兩人於1986年獲頒諾貝爾物理獎。1981年，被視為奈米元年。 • 利用一根針尖很細的金 屬探針(常用鉑、鎢或鎳 製作而成)。 STM

7. 將針尖與導體樣品的表面靠的很近很近，通電後會產生微小的電子流(稱為穿隧電流)。將針尖與導體樣品的表面靠的很近很近，通電後會產生微小的電子流(稱為穿隧電流)。 • 穿隧電流會隨針尖與樣品的距離而劇烈改變，藉此知道表面的原子起伏。 • 其鑑別率可高達0.02nm，可以清楚顯示出導電晶 體表面的原子排 列圖像。 STM

8. 碘原子 白金表面 未吸附碘原子 的缺陷 • 利用STM顯微技術，可清楚顯現出白金晶體表面所吸附的碘原子(紫色隆起的半球物)。圖像的長、寬各為2.5nm。(顏色是電腦著色。) STM

9. STM • 但STM要偵測電子流(穿隧電流)，故只能應用在導體表面上，在絕緣體表面則無法發揮功效。 • 掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在奈米科技既是重要的測量工具又是加工工具。 AFM

10. 同一年，賓尼格和史坦福大學教授奎特合作發明了另一種原子顯像儀器，適用於任何物體的表面掃描，稱為「原子力顯微鏡」，簡稱AFM。同一年，賓尼格和史坦福大學教授奎特合作發明了另一種原子顯像儀器，適用於任何物體的表面掃描，稱為「原子力顯微鏡」，簡稱AFM。

11. ? nm 20nm • 利用微影蝕刻技術，在矽晶體上做出一支頂端附有探針的懸臂，針尖極細。 AFM

12. 把細小的針尖靠近樣品表面，針尖原子感受到樣品表面原子的作用力，而隨之高低起伏。把細小的針尖靠近樣品表面，針尖原子感受到樣品表面原子的作用力，而隨之高低起伏。 • 利用雷射光與光偵測器來偵測並放大探針的起伏，即可知道樣品表面原子的高低起伏。 註：原子間的作用力存 在何處？現在，把你 的手放在桌上，用力 壓，你的手是不是還 在桌面上呢？並沒有 因為下壓而『鑽』入 桌子裡吧？那就是原 子間的排斥力在作用 喔！ AFM

13. 左圖為利用AFM，所得到的矽晶體表面原子排列圖像。左圖為利用AFM，所得到的矽晶體表面原子排列圖像。 • 右圖為SARS冠狀病毒出現在受感染的細胞表面上，掃描面積長、寬各為1μm。 AFM

14. 左、中圖為利用AFM，所得到的CD、DVD表面紀錄的數位訊號0與1，圖像邊長均為10μm，可看出DVD的容量大多了。左、中圖為利用AFM，所得到的CD、DVD表面紀錄的數位訊號0與1，圖像邊長均為10μm，可看出DVD的容量大多了。 • 右圖為利用STM搬運矽原子得到的結果，是不是與光碟數位訊號很像呢？注意比例尺為10nm，代表這個未來的儲存裝置容量比DVD大的多喔！ AFM

15. 下面三張圖為利用AFM操控DNA分子所排列出來的三個英文字母，DNA。看出來了嗎？下面三張圖為利用AFM操控DNA分子所排列出來的三個英文字母，DNA。看出來了嗎？ AFM

16. 「綠色矽島」是由中研院物理所將矽原子排列或抽出，所畫出來的奈米臺灣。「綠色矽島」是由中研院物理所將矽原子排列或抽出，所畫出來的奈米臺灣。

17. STM與AFM統稱為掃描探針顯微術(SPM)，不僅用於顯示原子圖像，也可以用於操控原子。STM與AFM統稱為掃描探針顯微術(SPM)，不僅用於顯示原子圖像，也可以用於操控原子。 • 下表為STM與AFM的兩種顯微技術比較：

18. 電子顯微鏡 • 科學家們終於在1930年代發展出電子顯微鏡，藉著電子本身短波長的物理特性，電子顯微鏡終於突破光學顯微鏡的極限，使許多更細微的胞器、病毒甚至 DNA的分子構造呈現在人們的眼前。 1938第一部掃描電子顯微鏡由Von Ardenne發展成功。 1938～39穿透式電子顯微鏡正式上市（西門子公司）。 1981穿隧式掃描電子顯微鏡（ Scanning tunneling electron microscope ） 發展成功。

19. SEM • 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope），簡稱掃描電鏡（SEM）。是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。它能產生樣品表面的高解析度圖像，且圖像呈三維，掃描電子顯微鏡能被用來鑒定樣品的表面結構。

20. 掃描電子顯微鏡 Quanta 3D FEG 場致發無線電子槍。極其昂貴，在十萬美元以上，且需要 小於10-10torr的極高真空。

21. 打開的密封室

22. 劍橋S150型掃描電鏡，位於基爾大學地質研究所，1980年拍攝劍橋S150型掃描電鏡，位於基爾大學地質研究所，1980年拍攝

23. SEM成象圖 花粉 螞蟻頭部 果蠅複眼

24. 隨堂考 1.美國國家奈米科技啟動計劃定義奈米科技尺寸為? 2.奈米是長度單位名稱， 1nm= ? m。 3.明察秋毫是指，人眼的最佳鑑別率約為 ? mm。 4. 今天介紹兩種觀察奈米尺寸的顯微鏡並可以操縱原子的是哪兩種? 5.承上題，哪個顯微鏡是觀測導體的穿隧電流? 6.哪個顯微鏡是觀測原子間的作用力? 7.SEM是什麼顯微鏡? 8.綠色矽島是哪個國家單位將矽原子排列而成的? 9.奈米元年是西元哪年? 10.SEM所顯示的成像圖中，你印象最深刻的是哪個圖?

25. ANS • 1至100奈米尺寸 • 10-9 m。 • 0.02mm • STM掃描穿隧顯微鏡，AFM原子力顯微鏡 • STM • AFM • 掃描電子顯微鏡 • 中研院物理所 • 1981年 • 花粉.螞蟻頭部.果蠅複眼

26. 奈米科技(下) Nanotechnology

27. 奈米科技發展 • 目前製作積體電路的光學微影蝕刻技術的極限約為100奈米左右，如90奈米製程的CPU等，意思是CPU中每條導線的寬度是90奈米。

28. 一般來說，IC的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半導體廠商無不絞盡腦汁要將半導體的線寬縮小，以便在晶圓上塞入更多電晶體。然而，光微影術所能製作的最小線寬與光源的波長成正比，因此要得到更小的線寬，半導體製程不得不改採波長更短的光源。

29. 隨著光源波段的不同，製程技術已經由G-line(436nm)、I-line(365nm)的0.35~0.5微米，進展到目前的KrF(248nm)及ArF(193nm)的0.25~0.1微米的製程技術，雖然原則上可以製造出更微小的電子元件，但伴隨而來的是成本的增加及製程上的困難。隨著光源波段的不同，製程技術已經由G-line(436nm)、I-line(365nm)的0.35~0.5微米，進展到目前的KrF(248nm)及ArF(193nm)的0.25~0.1微米的製程技術，雖然原則上可以製造出更微小的電子元件，但伴隨而來的是成本的增加及製程上的困難。 • 因此，隨著元件尺寸持續縮小，光微影技術已成為半導體製程的最大瓶頸，因為會有繞涉問題…等問題出現而導致影像重疊無法分析，若是無法加以突破，半導體工業的發展勢將受到阻礙。 • KrF(248nm)及ArF(193nm)在雷射單元有介紹過，是準分子雷射光源，均為紫外線波段。

30. 利用經過化學處理的AFM探針，直接在晶體表面上刻畫直線，線條的寬度可縮小至15奈米左右，如圖所示。利用此奈米蝕刻技術，將來的IC晶片體積將更小、功能更強。利用經過化學處理的AFM探針，直接在晶體表面上刻畫直線，線條的寬度可縮小至15奈米左右，如圖所示。利用此奈米蝕刻技術，將來的IC晶片體積將更小、功能更強。

31. 物質在奈米尺度的獨特量子和表面現象 • 材料在奈米尺度下會突然顯現出與它們在宏觀情況下很不相同的特性，這樣可以使一些獨特的應用成為可能。 • 例如，不透明的物質變為透明（銅）；惰性材料變成催化劑（鉑）；穩定的材料變得易燃（鋁）；在室溫下的固體變成液體（金）；絕緣體變成導體（矽）。

32. 粒子大小由左至右約3nm 到 7nm，利用其發出各色的螢光可應用於生物檢測劑，追蹤特定組織與細胞。 • 例如同樣是硒化鎘(CdSe)組成的奈米晶粒，在紫光的照射下，粒子的大小不同會呈現不同顏色的螢光，這便是奈米尺寸下造成的光學性質異常，為量子現象的一個例子。

33. 奈米級的 精細結構 附著力小 形成水珠 • 自然界中也存在一些奈米現象，例如蓮花效應。意指水在葉面上形成滾動的水珠，能帶走葉面灰塵的一種自潔效應。

34. 應用產品 一、奈米結晶材料 奈米結晶材料薄膜可提高表面之硬度、降低磨擦、提高耐熱性、耐化學腐蝕性等，可應用於汽車、航空業等之機械系統，Toyota汽車已使用新型奈米結晶鋼材於其汽車產品上 。 在生物醫學方面，奈米結晶銀有抗菌作用，而奈米結晶鈦則可應用於人工關節。

35. 二、奈米粉體 奈米粉體是奈米材料中種類最繁多且應用最廣 泛之一類。 • 用於保鮮膜、飲料瓶，則可利用其耐熱性、高阻氣性及透明等優點。 • 奈米粉體塗佈具增強表面硬度、抗磨、透明等特性，已應用於建材及太陽眼鏡鏡片上 。 • 奈米銀微粒具有抗菌功效、氧化鋅則具殺黴作用。 • TiO2與ZnO對UV吸收有相當好之功效，可應用於防曬油等美容產品

36. 三、奈米孔隙材料 此類材料指孔隙尺寸小於100奈米之多孔隙材料 ，奈米孔隙材料可用開發改良催化劑，應用於石化工業等。 奈米孔隙薄膜可作為半導體業中之低介電材料 ，奈米多孔矽特殊的發光性質，可作為固態雷射之材料；奈米多孔碳則具高電容特性，可應用於如手提電腦、行動電話，乃至電動車等電池之開發。

37. 奈米耐熱材料，因為孔洞小至10nm，雖僅1cm厚，卻能使扶桑花不受到下端800°C火焰的烘烤而被焚毀 。

38. 四、奈米纖維與奈米纜線 • 奈米纖維在此指相對較短之纖維，包括碳纖絲 ； 利用奈米碳纖絲，製造導電塑膠及薄膜，可應用在汽車之靜電塗料或電器設備之靜電消除。奈米纖維可製成抗化學品、防水透氣、防污等特殊性能布料，在紡織服裝業上有廣大的市場 ，並利用其高表面積進一步製成可穿戴之太陽能電池。

39. 奈米纜線則傾向為無機材質，包括金屬、半導體（如矽、鍺）、及一些有機高分子，主要應用於電子工程。奈米纜線之電子傳遞行為並不遵循古典電學，例如其電阻為一定值並不隨長度改變 。目前奈米纜線於奈米電子工程之應用，仍處實驗室研發階段，商業化為長期化之目標。

40. 五、奈米碳管 奈米碳管（carbon nanotube，CNT）是在1991年由日本NEC公司 Sumio Iijima，在以穿透式電子顯微鏡觀察碳的團簇（cluster）時意外發現，為石墨平面捲曲而成之管狀材料，有單層（single-walled）與多重層（multi-walled）兩種結構。 奈米碳管具許多特殊性質，如高張力強度（tensile strength ~100Gpa）、優良之熱導性、及室溫超導性，其導電性則隨不同的捲曲方式而變，可為奈米導線或是奈米半導體

41. 電子顯微鏡下所見到的奈米碳管，它具有強度高、重量輕、性能穩定等特性。

42. 奈米碳管的應用 （一）結構材料： 由於奈米碳管之優異強度，高強度－重量比，可應用於汽車、航太、建築業等。此外，若可克服技術及成本問題，製成奈米碳管電纜，可兼具奈米碳管於結構強度與導電性之優點，將為能源運輸之一大突破。

43. （二）電子工程： 奈米碳管在量子效應下展現之電學性質，製成電子工程中之邏輯元件與記憶體，預期可巨幅提升電腦之速度與資料儲存密度，目前最大的礙障在於成本價格太高及奈米碳管連結技術上之困難。此外，奈米碳管之高導熱性，可以應用在奈米電路中高熱量之散佈。

44. （三）顯示器： 碳奈米管具有低的導通電場、高發射電流密度以及高穩定性，極適用於場發射器。目前場發射顯示器（field emission display，FED）技術最廣受注目之開發為平面顯示器，已有不少企業，如日本NEC、韓國三星公司，工研院電子工業研究所投入碳奈米管場發射顯示器之研發，其具影像品質佳、體積薄小及省電等潛在優點

45. （四）燃料電池： 奈米碳管具吸附氫氣與碳氫化合物之功能，可以應用在航太與汽車工業上燃料電池的氫氣儲存槽。 （五）其他： 奈米碳管具彈性且細長的優點，可作為原子力顯微鏡（AFM）或掃描隧道顯微鏡（STM）之探針，大幅提高解析度。

46. 下面所列為目前市面上可見的奈米科技產品

47. 總結： 奈米科技是一項跨領域的研究，包括物理、化學、生物、數學、資訊等在內，在人類文明發展史上被稱為： 繼蒸汽機內燃機電子資訊之後的第四波工業革命，對人類生活的福祉有重大而深遠的影響。

48. 隨堂考 • 90奈米製程的CPU中每條導線的寬度是多少? • 磨成奈米尺度的金是什麼顏色的? • 「蓮花效應」指的是蓮葉表面不沾汙，易清潔的特性，為什麼? • 列出七種市面上可見的奈米材料之應用。

49. ANS • 90nm • 黑色 • 是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。