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現代科技與生活現代科技與生活IV. 認識奈米科技
第0節 前言
˙“There is plenty of room at the bottom.”-- Richard Feynman 1959年在CIT美國物理學會年會演講
Richard FeynmanThe Nobel Prizein Physics 1965
我們能否把全套 24 冊大英百科全書寫在大頭針針頭上?
針頭直徑1/16英吋。如果將其直徑放大25,000倍,針頭的面積就等於全套大英百科全書紙張的面積。
只要我們可以將大英百科全書上的文字縮小25,000倍就行!
眼睛解像能力大約是1/120英吋,如把這個點再縮25,000倍,其直徑還有80 Å,等於32個一般的金屬原子。
換句話說,一個點的面積上還可以容納1000個原子,每一個點都還很容易地調節大小。
因此在大頭針針頭上刻上全套大英百科全書是毫無疑問的。
˙奈米尺寸 1 nanometer = 1 nm = 10-9 m = 10 Å
身高:19億奈米 紅血球:1千奈米 分子DNA寬:1奈米 氫原子:0.1奈米
˙積體電路製程之線寬
(介觀世界)
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第一節 觀察奈米尺寸工具
1989/11/11 IBM工程師 Eigler利用STM移動35氙原子書寫公司名
2:50
1. 掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)
可觀察100 nm的結構
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2. 場發射槍掃瞄式電子顯微鏡 (Field Emission Gun SEM, FEGSEM)
使用六硼化鑭(LaB6)或奈米碳管(CNT)製成100 nm針尖,發射10 nm寬電子束,可觀察10 nm的結構。
SEM影像
FEGSEM影像
3. 穿透式電子顯微鏡 (Transmission EM, TEM)
可觀察10 nm的結構
試體加工研磨成小於 200 nm的厚度讓電子束得以穿透
CCD
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4. 高解析度穿透式電子顯微鏡 (High Resolution TEM, HRTEM)
使用六硼化鑭(LaB6)或奈米碳管(CNT)製成100 nm針尖,發射10 nm寬電子束,穿過試體薄膜,散射後以contrast transfer function (CTF)紀錄成序列影像,再反算CTF-1組合成像,可觀察1 nm的結構。
TEM影像
HRTEM影像
5. 掃描穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope, STM)
使用矽晶圓或奈米碳管(CNT)製成100 nm針尖,掃過金屬表面並導電,因表面起伏而影響電流大小,記錄後由電腦後製原子三維模擬影像,可觀察 1 nm的結構。(其穿隧電流亦可吸引原子移動!)
STM影像
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6. 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM)
使用矽晶圓或奈米碳管(CNT)製成100 nm針尖,掃過物體表面而得到凡得瓦力,因表面起伏而微小擺動,利用雷射記錄後,由電腦後製原子三維模擬影像,可觀察 1 nm的結構。
AFM影像 探針
第二節 奈米結構與效應
1. 奈米結構
˙塊材(Bulk):一般尺寸的傳統材料˙二維奈米材料:奈米薄膜(Nanofilm)、量子井(Quantum well)˙一維奈米材料:奈米線(Nanowire)、奈米棒(Nanorod)˙零維奈米材料:奈米粒子(Nanoparticle)、量子點(Quantum dot)
奈米材料:微小尺寸在100 nm以下
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2. 量子局限效應(Quantum Confinement Effect)
˙材料電子受到激發會改變能階,與電洞結合會發光。
˙塊材電子能自由移動,能隙較小。
˙奈米材料電子移動受限,能隙較大。
˙藍移(Blue shift):尺寸愈小,發光能量(頻率)愈大。
3. 表面與介面效應(Surface and Interface Effect)
˙材料尺寸愈小,比表面積愈大。
˙奈米材料尺寸愈小,表面原子愈多,作用愈快。
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˙奈米材料尺寸愈小,表面未鍵結電子愈多,活性愈強。
高比表面積的催化效果
4. 量子穿隧效應(Quantum Tunneling Effect)
˙奈米材料尺寸<100 nm,電子開始可穿越絕緣體。˙該絕緣而未絕緣...
CMOS
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5. 巨磁阻效應(Giant Magnetoresistance, GMR)
˙磁阻 (MR ) 係指磁性材料在外加磁場下,內部電子自旋方向發生改變而導致電阻值變化(約1~3%)。
˙1988年發現在幾個原子厚的鐵/鉻多層膜樣品中,觀察到在磁場下,具有50%的磁阻變化,命名為巨磁阻效應。
˙巨磁阻讀取頭大幅提升硬碟儲存性能,很快地成為硬碟的標準技術,被視為「首次在奈米科技領域上的實際應用」。
Peter GrünbergAlbert Fert
Nobel Prize in Physics 2007
第三節 奈米材料的生成技術
由下而上 由上而下
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1. 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)
˙使用能量將氣態物質分解,令其在基板(Substrate)熱表面上發生化學反應並沈積其上,形成奈米薄膜。
˙包括:熱活化式(Thermally Activated CVD)—熱燈絲(Hot Filament CVD)
電漿輔助式(Plasma Enhanced CVD )—微波(Microwave PECVD)、—射頻(Radio Frequency PECVD)、—電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance CVD)、—遙控(Remote PECVD)、—磁控(Magnetic PECVD)、
光輔助式(Photo-assisted, PACVD)—紫外光(UV CVD)、—雷射(Laser-induced CVD)、
˙射頻式電漿化學氣相沈積法(RFPECVD)
(1) 工業常用,高真空成本較低,適合量產。(2) 在金屬或非金屬材料上生長類鑽石薄膜,硬度極佳,
可作為鑽石刀。
高
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˙有機金屬化學氣相沈積法(Metal Organic, MOCVD)
(1) 半導體工業常用,高真空成本較低,適合量產。(2) 有機金屬氣體多有劇毒,外洩亦可能造成火災爆炸。
高
( )(AlAs)(AlGaAs)
2. 物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition, PVD)
˙使用能量將蒸鍍的金屬氣化,令其在基板(Substrate)表面上沈積,形成奈米薄膜。
˙包括:分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)
熱蒸鍍法(Thermal Evaporation, TE)
電子束蒸鍍法(Electron Beam Evaporation, EBE)
濺鍍法(Sputtering Deposition)
脈衝式雷射蒸鍍法(Pulse Laser Deposition, PLD)
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˙分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)
(1) 超高真空成本較高,不適合工廠大量生產。(2) 各個固體蒸發量(製程參數)容易控制,適合實驗室研發。
超高
( )
加熱蒸發
高
(1) 高真空成本較低,適合工廠大量生產。(2) 只適合低熔點之金屬蒸鍍(<1000°C)。(3) 可生產光電元件之反射鏡、IC金屬導線。
加熱蒸發
˙熱蒸鍍法(Thermal Evaporation, TE)
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(1) 高真空成本較低,適合工廠大量生產。(2) 適合高熔點之金屬或氧化物陶瓷材料蒸鍍(>1000°C)。(3) 可生產鏡片之濾光、抗紫等薄膜與多層膜。
˙電子束蒸鍍法(Electron Beam Evaporation, EBE)
高
磁場
(1) 高真空成本較低,適合工廠大量生產。(2) 適合所有熔點之金屬與非金屬材料薄膜製造。(3) 可生產光碟片反射膜、IC金屬導線及鏡片之濾光、抗紫等
薄膜與多層膜。
˙濺鍍法(Sputtering Deposition)
高
高電場電漿
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˙溶膠凝膠法(Sol-Gel Method)
第四節 奈米薄膜與量子井
˙電流載子(電子或電洞)在法線方向運動受限制,稱此機構為量子井。厚度愈薄,能隙愈大。
˙量子井如同三明治,其外兩層束縛層能隙較大,中央發光層能隙較小。˙通電後,電子與電洞注定在發光層相遇而發出紅外光、可見光或紫外光,
以奈米半導體材料決定。厚度愈薄,效率愈好。
奈米薄膜
單量子井
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多量子井
˙美日分別常用分子束磊晶(MBE)與金屬化學氣相沉積法(MOCVD)製作。
˙垂直共振腔面射型雷射(VCSEL):
}不同折射率形成之光柵
第五節 奈米線與奈米棒
˙長寬比(Aspect Ratio, AR)。
矽奈米線 矽奈米棒
長度AR =
直徑
AR大 AR小
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六角柱
˙碳氮化矽奈米棒 ˙加熱蒸鍍(Thermal Evaporation)
坩堝
˙氧化鋅奈米線雷射 ˙矽奈米線感測器
反射鏡
紫外
ZnO量子效應
S: Source D: Drain
氨結合愈多,S至D電導度愈大
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第六節 奈米碳管(Carbon Nano Tube, CNT)
˙碳的同素異形體(Allotrope)
碳原子 鑽石,SP3
石墨,SP2
碳奈米管
碳奈米球巴克球(Bucky ball)富勒烯(1812 Fullerenes)
C60 = 20+12
C70
雷射蒸發碳棒:
若碳棒內含金屬原子,蒸發後的部分碳管或碳球會包覆金屬原子
˙碳管及碳球的製造
電弧放電法雷射蒸發法化學蒸鍍法
La2C80TEM影像:
包覆金屬原子的碳球充填於碳管中
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˙奈米碳管的對稱性
石墨單層
鋸齒型
對掌型
˙奈米碳管構造
扶椅型
單層碳管
˙單層及多層奈米碳管
˙奈米碳管性質
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˙奈米碳管應用
1. 奈米碳管場發射顯示器(CNT-FED)
數萬根碳管
效果一樣耗能極少
2. 奈米鑷子(Nanotweezers)
以外加電壓控制壓電材料厚度,而改變鑷子距離,可夾取大腸桿菌。
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3. 奈米碳管懸臂(Carbon Nanotube Cantilever)
奈米秤:以懸臂載微物,測量振動頻率,可計算其物質量,如大腸桿菌。
4. 奈米碳管在鋰電池的應用(Lithium-ion Battery)
可儲存更多氫原子
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奈米粒子
量子點:奈米粒子覆蓋於奈米薄膜內
第七節 奈米粒子(Nanoparticle)與量子點(Quantum Dot)
˙可由加熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍、電漿CVD、分子束磊晶、或有機金屬CVD,快速冷凝製作。
˙比表面積大,活性高。
波粒二重性
量子井
˙量子點
1. 量子尺寸效應與多電子效應
2. 普通半導體雷射與量子點半導體雷射
量子井發光層: 一維受侷限,能隙較小,發光效率小。
量子點發光層: 三維受侷限,能隙較大,發光效率大。
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3. SK(Stanski-Krastnaow)法所形成之自組裝砷化銦量子點
˙量子點雷射
在垂直共振腔面射型雷射的多量子井發光層中加入量子點,發光效率更佳。
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˙奈米觸媒
以奈米粒子作為觸媒轉化器,效果更佳。
以二氧化鈦奈米粒子作為戶外塗劑,具有自我清潔效果。
分解為小分子
第八節 奈米科技的應用
1. 奈米金屬
奈米金屬係控制金屬基質與奈米粒子之組合所製成。其具有現今金屬中無法想像的高強度、彎曲度、耐蝕性、氫吸收度以及高活性電極特性等。
高強度高耐熱鋁合金
奈米結晶鏡架材料
奈米結晶電磁隔離鐵心合金
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2. 奈米陶瓷
在精密陶瓷中加入奈米結構控制技術,生成奈米多晶體與無機膜,將可實現從未有過的超高強度和電磁性質之「奈米陶瓷」。
3. 單電子電晶體
傳統積體電路
傳統電晶體能耗
傳統電子設備發熱耗電大
單電子電晶體原理
電荷島
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單電子電晶體構造與庫倫封鎖 雙單電子電晶體反相器AFM影像
(10 nm大小)
單電子電晶體積體電路將大幅提高電池效能
4. 量子電腦
量子計算概念
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超導單電子對箱量子位元(當今最快的開關元件)
加入電壓
單電子注入
利用閘極脈波控制電子自旋
5. 高密度磁碟
傳統水平紀錄方式
磁碟片高密度化結晶粒縮小
高密度水平磁化紀錄之要求 熱振動使微細晶粒磁化紀錄消失
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新型垂直紀錄方式
高密度垂直磁化紀錄(使用相同GMR讀取頭)
微磁性模擬十年後結果:可長期存在而不會消失!
6. 高密度光碟
以波長之雷射光照射尺寸小於之微小物體或孔穴,會散射向四方傳播光波,稱為遠場光,無法藉由其觀察到物體或孔穴。但是在一個波長範圍內繞射未發生時,物體周遭產生近場光,以光纖探針可偵測到物體或孔穴的存在,但距離需在10 nm以內,控制成本太高。
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˙高解析度近場結構(Super Resolution Near-field Structure, Super RENS)
在近場光作用層鍍上20 nm的氧化銀膜或銻膜,當雷射光束照射其上時,高溫產生奈米級爆炸(Nano Explosion)分解成銀和氧,銀粒周圍生成近場光到達相變化層寫入數十奈米的微細刻度,雷射光束離開後溫度下降,作用層結合回氧化銀。在雷射讀取時,分解後的微少銀粒子會在相變化層產生表面Plasma的增效近場光,可獲得更強大的讀取信號。理論上一片光碟容量可達 1 Tb。
7. 下世代顯示器
上世代顯示器-陰極射線管(CRT) 本世代顯示器-場發射顯示器(FED)
本世代明星顯示器-奈米碳管場發射顯示器(CNT-FED)
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下世代顯示器-彈道電子表面發射顯示器(BSD-FED)
8. 奈米工具
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後記
想像一種強而有力的技術,能製造精密的器件、修護生
物的細胞、產生人工智慧、促成便宜的太空旅行、提供乾淨
豐富的能源以及重建我們的環境;一種非常方便的技術,能
讓每個人各取所需;一種影響深遠的技術,能徹底地改變我
們的經濟和政治體系;一種如此臨近的技術,使大多數的人
今生就會看到它的衝擊。這就是奈米科技對我們的影響。
Kai Wu
資料來源:
圖解奈米科技,川合知二,工業技術研究院,2002。
奈米科技與微製造產業,曲威光,新陸書局,2005。
光電科技與磁儲存產業,曲威光,新陸書局,2005。
奈米科技簡介,張嘉升,http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/
藍綠光發光二極體,莊賦祥,科學發展,349期,46-53,2002年1月。
Nobelprize.org, http://nobelprize.org/
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