演講主題:奈米催化科技與生活品質提升
演講者:元智大學化學工程與材料科學學系兼環境科學研究中心主任 林錕松教授
講座主持人:李季燃所長
授記錄者:吳政龍
記錄者指導教授:孫茂誠 教授
共同指導: 李季燃 教授
日期:101.4.25( 15: 10~17 :00 )
n「奈米」(nanometer)是長度單位,此用語最早是1974年底在日本出現,原稱「毫微米」,但把“奈米”一詞應用於材料方面,則是在80年代。
早期材料領域研究人員僅以奈米晶體材料(nanocrystalline materials)涵括奈米材料,為因應研究範圍的擴大,研究人員逐漸將奈米粒子(nanoparticles)、奈米元件(nanodevice)、奈米多孔材料(nanoporous materials)納入奈米結構化材料(nanostructured materials)的範圍,甚至有奈米結構化表面(nanostructured surface)的塊材亦涵蓋在內。n為因應奈米材料的發展彈性,奈米材料的定義是指材料特徵長度,在 100 nm 以下,此長度可以是粒子直徑、晶體尺寸、鍍層厚度等,且其有與一般物質不一樣之性質的材料方稱之為「奈米材料」。
早期材料領域研究人員僅以奈米晶體材料(nanocrystalline materials)涵括奈米材料,為因應研究範圍的擴大,研究人員逐漸將奈米粒子(nanoparticles)、奈米元件(nanodevice)、奈米多孔材料(nanoporous materials)納入奈米結構化材料(nanostructured materials)的範圍,甚至有奈米結構化表面(nanostructured surface)的塊材亦涵蓋在內。n為因應奈米材料的發展彈性,奈米材料的定義是指材料特徵長度,在 100 nm 以下,此長度可以是粒子直徑、晶體尺寸、鍍層厚度等,且其有與一般物質不一樣之性質的材料方稱之為「奈米材料」。
人類文明的演進與材料的發展有極密切的關係
奈米材料之小尺寸效應亦稱之為體積效應或量子尺寸效應,乃是指微粒尺寸減小,其體積縮小,粒子內部的原子數減小而外部的原子數增加之效應。當微粒尺寸小到比光波波長、電子德布羅依波長或更小時,其周期性之邊界條件會被破壞,因而微粒之固體顆粒粒徑逐漸減小,接近原子大小時,凡得瓦爾力效應特別強,微粒之聲、光、電、磁、熱及化學特性亦隨之改變,呈現新的邊界領域。
一、量子效應與奈米科技
量子化是微觀世界中一個普遍的現象,敘述微觀世界的物質可以具備的能量或是其他的參數不會是任意值,而是量化的,也就是不連續的,不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。
對奈米材料而言,當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時,其能量狀態的分佈由連續轉變為量化的狀態,繼而明顯地影響奈米材料的許多性質,可以著名的半導體奈米粒子的量子侷限效應來說明。 v半導體材料分為純元素半導體以及化合物半導體,純元素半導體以矽與鍺為主,而化合物半導體則有兩種形式:III V族半導體與II VI族半導體,前者是由元素周期表中IIIA及VA族的元素所組成,例如氮化鎵等;後者是由元素周期表中IIB及VIA 族的元素所組成,例如硒化鎘等。
半導體材料具有一個很基本的電子結構特徵,那就是電子存在的價帶以及在室溫下並不存在著電子的導帶,二者之間的能量間隙,一方面不如導體的能量間隙那麼小,另一方面遠不如絕緣體的能量間隙那麼大。
因為這項特徵使半導體材料的電子傳導特性可以經由外加的驅動力而調整。
例如,材料可以經由加溫或是照光的方式,使得在價帶的電子吸收能量而激發到能量較高的導帶,導帶中的電子就如同金屬的自由電子一般,具有導電的特性。這個可以經由人為操控的特徵,使得半導體材料衍生出非常多且有用的物理特性,更發展成為各種用途的元件及產品。
二 表面效應奈米材料之表面效應為奈米微粒表面原子與總原子數比,隨著微粒尺寸之減小而劇增,其粒子之表面能與表面張力亦隨之增加,進而引起奈米材料物性與化性之改變,其固體微粒表面積與粒徑之關係
奈米材料在半導體技術之應用:
自從Iijima於199l以電弧放電法(arc discharge)發現碳奈米管(carbon nanotube)後,因碳奈米管具有高長徑比(aspect ratio)、尖端曲率半徑小、高機械強度、高化學穩定性等特性而成為良好的場發射子,引起科學家將利用其製作真空電子元件的研究興趣。在新世代高頻寬頻與光電產業應用的半導體技術中,新材料技術的掌控成為未來致勝的關鍵,特別是在晶片技術邁向100奈米以下尺度的趨勢下,包括晶片連接、載板製作、 訊號傳輸、晶片整合都必須有新材料的配搭,才能出現創新突破新型技術。新發展的碳奈米管材料奈米技術正是滿足這些未來技術的基石。
碳奈米管取代現有的半導體技術:
藉由外加電場的方法,UCLA的物理學家可以讓碳奈米管(carbon nanotube)形成網格狀結構(grids)此網狀結構乃是由數個奈米寬,數千奈米長的碳奈米管群所組成(圖5-l)。
依據其中原子排列的情形,碳奈米管可被視為半導體或者充作傳遞電流的線路。
James Heath及其同事皆認為若使兩條電線以垂直的方式相交即可形成半導體,接合點則可視為用於檢波整流的裝置,理論上每一裝置的開(on)或關(off),皆不會對其他裝置造成影響。這一論點使得碳奈米管網狀結構於每一接合點上能夠儲存1位元,以形成電腦記憶體點燃了一線希望。如此以碳奈米管製成的電腦隨機存取記憶體(RAM)將會比目前的Pentium晶片容量密度(storage density)將近100,000倍左右。
過去典型碳奈米管網狀結構形成是將交錯相接的碳奈米管,以精密細微的技術排列,或是以類似蝕刻方式製成。然而,Heath此一研究小組卻有另一套方法。他們將碳奈米管分散於某有機溶劑中,每一僅分子大小的碳奈米管彼此與周遭的碳奈米管黏接,逐漸形成鏈狀結構。此鏈狀物約6~20奈米厚,20,000奈米長,具有電性。藉由施加電場於矽晶片(silicon wafer)上,即可將這些碳奈米管沉澱至晶片表面,沉澱的方向性與電場平行。其次藉由施加與先前碳奈米管沉積方向相互垂直的電場,即可沉澱另一族群碳奈米管以形成網狀結構,結構中鏈與鏈之間的距離因電荷的排斥性大致相等,研究人員目前正試圖控制此排斥力以調節網狀結構的間距。
奈米材料技術在電子通訊應用:
一、單電子電晶體
單電子電晶體有極高的電荷感應靈敏度,在適當的閘極偏壓下,當單電子電晶體是在超導態時,我們可觀察到簡併態造成的能隙分裂,所以這時的隔離導體就如一個 氮原子,原子內二個電子的自旋有對稱及反對稱排列而形成類似的能隙。單電子電晶體與傳統電晶體不同的地方,為單電子電晶體式可控制一個個電子的運動,而傳統電晶體是控制電流的運動。但單電子電晶體僅能於低溫下發揮功能,若能於室溫下工作, 將達到最大應用價值。 v若單電子電晶體能在室溫下工作,為了使其量子效應不受室溫熱脹冷縮之影響,其中央島之結構大小需在10nm以下。因此奈米技術中的e-beam photolithography技術便成為製作單電子電晶體的基本工具。
二、奈米微晶光電通訊
科學家首度透過硫化鉛(PbS)奈米微晶觀察到可調式電致發光(electroluminescence)效應。藉由改變奈米微晶的直徑大小,使其發出波長在1000至1600奈米之間的光,由於範圍涵蓋了1300及1550奈米兩個重要的通訊波長,因此該晶體可望應用在光調節器、波導及光學晶片上。
以往能在通訊波長發光的奈米微晶必須在600至800°C的真空下製造,目前發展 出一種能在大氣中及低於150°C下進行的方法。不過,該方法得到的奈米微晶表面並不 穩定,研究人員因此在晶粒表面先鍍上油酸鹽配位體(oleate ligands),才將它們浸入半導體高分子基質中,最後得到的是薄薄一層真有光致電性質的混合高分子層。測量結果顯示,其光致電訊號在電壓為3伏附近會急遽增大,所對應的內部量子效率可達12%。這項研究成果可能有助於將許多光纖元件於單一晶片上的整合。
三、量子點之製作於通訊的應用:
嵌在鉛-硫奈米微晶(lead-sulphide nanocrystals)內的聚合物半導體可發出波長與商用通訊系統相容的紅外光,因此如果用來做為積體光子晶片(integrated photonic chips) 的光源,可以節省成本達幾個數量級之多。
採用簡單的薄膜技術,製作出的聚合物/奈米微晶複合物能以類似發光二極體的方式發光,成本卻遠低於昂貴的傳統半導體製程。相較於砷化鎵之類的傳統半導體發光元件,奈米微晶量子點除了體積更小,它與聚合物的製造都可以在常壓及較低的溫度下進行,不像傳統半導體製程需使用高溫爐及真空腔,因此可以簡化製造步驟並大幅降低成本。
研究人員測量量子點元件的結果得到一條類似發光二極體的非對稱、超線性的電流-電壓特性曲線,其內在效率為12%。透過第三階的非線性光學回應,量子點的發光強度可達砷化鎵元件的30倍。奈
一、量子效應與奈米科技
量子化是微觀世界中一個普遍的現象,敘述微觀世界的物質可以具備的能量或是其他的參數不會是任意值,而是量化的,也就是不連續的,不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。
對奈米材料而言,當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時,其能量狀態的分佈由連續轉變為量化的狀態,繼而明顯地影響奈米材料的許多性質,可以著名的半導體奈米粒子的量子侷限效應來說明。 v半導體材料分為純元素半導體以及化合物半導體,純元素半導體以矽與鍺為主,而化合物半導體則有兩種形式:III V族半導體與II VI族半導體,前者是由元素周期表中IIIA及VA族的元素所組成,例如氮化鎵等;後者是由元素周期表中IIB及VIA 族的元素所組成,例如硒化鎘等。
半導體材料具有一個很基本的電子結構特徵,那就是電子存在的價帶以及在室溫下並不存在著電子的導帶,二者之間的能量間隙,一方面不如導體的能量間隙那麼小,另一方面遠不如絕緣體的能量間隙那麼大。
因為這項特徵使半導體材料的電子傳導特性可以經由外加的驅動力而調整。
例如,材料可以經由加溫或是照光的方式,使得在價帶的電子吸收能量而激發到能量較高的導帶,導帶中的電子就如同金屬的自由電子一般,具有導電的特性。這個可以經由人為操控的特徵,使得半導體材料衍生出非常多且有用的物理特性,更發展成為各種用途的元件及產品。
二 表面效應奈米材料之表面效應為奈米微粒表面原子與總原子數比,隨著微粒尺寸之減小而劇增,其粒子之表面能與表面張力亦隨之增加,進而引起奈米材料物性與化性之改變,其固體微粒表面積與粒徑之關係
奈米材料在半導體技術之應用:
自從Iijima於199l以電弧放電法(arc discharge)發現碳奈米管(carbon nanotube)後,因碳奈米管具有高長徑比(aspect ratio)、尖端曲率半徑小、高機械強度、高化學穩定性等特性而成為良好的場發射子,引起科學家將利用其製作真空電子元件的研究興趣。在新世代高頻寬頻與光電產業應用的半導體技術中,新材料技術的掌控成為未來致勝的關鍵,特別是在晶片技術邁向100奈米以下尺度的趨勢下,包括晶片連接、載板製作、 訊號傳輸、晶片整合都必須有新材料的配搭,才能出現創新突破新型技術。新發展的碳奈米管材料奈米技術正是滿足這些未來技術的基石。
碳奈米管取代現有的半導體技術:
藉由外加電場的方法,UCLA的物理學家可以讓碳奈米管(carbon nanotube)形成網格狀結構(grids)此網狀結構乃是由數個奈米寬,數千奈米長的碳奈米管群所組成(圖5-l)。
依據其中原子排列的情形,碳奈米管可被視為半導體或者充作傳遞電流的線路。
James Heath及其同事皆認為若使兩條電線以垂直的方式相交即可形成半導體,接合點則可視為用於檢波整流的裝置,理論上每一裝置的開(on)或關(off),皆不會對其他裝置造成影響。這一論點使得碳奈米管網狀結構於每一接合點上能夠儲存1位元,以形成電腦記憶體點燃了一線希望。如此以碳奈米管製成的電腦隨機存取記憶體(RAM)將會比目前的Pentium晶片容量密度(storage density)將近100,000倍左右。
過去典型碳奈米管網狀結構形成是將交錯相接的碳奈米管,以精密細微的技術排列,或是以類似蝕刻方式製成。然而,Heath此一研究小組卻有另一套方法。他們將碳奈米管分散於某有機溶劑中,每一僅分子大小的碳奈米管彼此與周遭的碳奈米管黏接,逐漸形成鏈狀結構。此鏈狀物約6~20奈米厚,20,000奈米長,具有電性。藉由施加電場於矽晶片(silicon wafer)上,即可將這些碳奈米管沉澱至晶片表面,沉澱的方向性與電場平行。其次藉由施加與先前碳奈米管沉積方向相互垂直的電場,即可沉澱另一族群碳奈米管以形成網狀結構,結構中鏈與鏈之間的距離因電荷的排斥性大致相等,研究人員目前正試圖控制此排斥力以調節網狀結構的間距。
奈米材料技術在電子通訊應用:
一、單電子電晶體
單電子電晶體有極高的電荷感應靈敏度,在適當的閘極偏壓下,當單電子電晶體是在超導態時,我們可觀察到簡併態造成的能隙分裂,所以這時的隔離導體就如一個 氮原子,原子內二個電子的自旋有對稱及反對稱排列而形成類似的能隙。單電子電晶體與傳統電晶體不同的地方,為單電子電晶體式可控制一個個電子的運動,而傳統電晶體是控制電流的運動。但單電子電晶體僅能於低溫下發揮功能,若能於室溫下工作, 將達到最大應用價值。 v若單電子電晶體能在室溫下工作,為了使其量子效應不受室溫熱脹冷縮之影響,其中央島之結構大小需在10nm以下。因此奈米技術中的e-beam photolithography技術便成為製作單電子電晶體的基本工具。
二、奈米微晶光電通訊
科學家首度透過硫化鉛(PbS)奈米微晶觀察到可調式電致發光(electroluminescence)效應。藉由改變奈米微晶的直徑大小,使其發出波長在1000至1600奈米之間的光,由於範圍涵蓋了1300及1550奈米兩個重要的通訊波長,因此該晶體可望應用在光調節器、波導及光學晶片上。
以往能在通訊波長發光的奈米微晶必須在600至800°C的真空下製造,目前發展 出一種能在大氣中及低於150°C下進行的方法。不過,該方法得到的奈米微晶表面並不 穩定,研究人員因此在晶粒表面先鍍上油酸鹽配位體(oleate ligands),才將它們浸入半導體高分子基質中,最後得到的是薄薄一層真有光致電性質的混合高分子層。測量結果顯示,其光致電訊號在電壓為3伏附近會急遽增大,所對應的內部量子效率可達12%。這項研究成果可能有助於將許多光纖元件於單一晶片上的整合。
三、量子點之製作於通訊的應用:
嵌在鉛-硫奈米微晶(lead-sulphide nanocrystals)內的聚合物半導體可發出波長與商用通訊系統相容的紅外光,因此如果用來做為積體光子晶片(integrated photonic chips) 的光源,可以節省成本達幾個數量級之多。
採用簡單的薄膜技術,製作出的聚合物/奈米微晶複合物能以類似發光二極體的方式發光,成本卻遠低於昂貴的傳統半導體製程。相較於砷化鎵之類的傳統半導體發光元件,奈米微晶量子點除了體積更小,它與聚合物的製造都可以在常壓及較低的溫度下進行,不像傳統半導體製程需使用高溫爐及真空腔,因此可以簡化製造步驟並大幅降低成本。
研究人員測量量子點元件的結果得到一條類似發光二極體的非對稱、超線性的電流-電壓特性曲線,其內在效率為12%。透過第三階的非線性光學回應,量子點的發光強度可達砷化鎵元件的30倍。奈
米材料在光電應用
奈米量子光學是在奈米級的光學程序,在奈米尺寸下,所呈現出來的性質,也就是光子-物質交互作用主要是以量子力學的形式進行,其奈米光子技術的發展由圖5-8所示,光輻射的奈米侷限是藉由控制光輻射的傳導性質與物質的交互作用,以應用於近場光學顯微鏡及光子晶體的區域化;物質的奈米侷限是藉由奈米尺寸的微粒、分散相、複合材料等控制;奈米光程序則是光物理與光化學程序的空間侷限,應用在光電產業、奈米感測器和奈米光記憶體等。 v
v近場光學是研究量測距離遠小於所使用光波的波長之光學作用的所謂奈米光學(nano optics),因在近場光學中光的波動性質還未表現出來,故不受繞射極限的限制,因此可具有極高之空間解析度或分辨力。