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奈微米檢測技術

10/24/2005 (6th week)

• 什麼是奈米科技？• 奈米科技的基礎及典範• 發展奈米科技的必要性• 奈米結構的製作• 奈米結構的特性• 奈米結構的檢測工具• 奈米結構的應用• 奈米科技對我們未來可能造成的影響

Dec. 1959 Richard Feynman

“At the atomic level, we have new kinds of force and new kinds of possibilities, new kinds of effects. The problems of manufacturing and reproduction of materials will be quite different.”

http://www.its.caltech.edu/~feynman

Goals of Clinton’s NNI

• 增加單位面積的記憶容量1000倍將整個國會圖書館的資料, 儲存到一顆方糖大小的體積內.• 在原子與分子的領域由下往上建構元件,材料可以更高密度, 更省材料, 且減少污染• 發展鋼鐵十分之一重, 但十倍強度的材料• 提高現有P-III一百萬倍速度的電腦• 將奈米機械裝置應用到癌細胞偵測與基因,藥物傳送到器官上

• 清除空氣與水中最小的污染物• 提昇現有太陽電池的效率至2倍以上

什麼是奈米科技？

What is Nanotechnology?

The creation of useful materials, devices, and systems through the controlled synthesis of building blocks (BBs) at nanometer-length scale, and the exploitation of novel properties and phenomena developed at that scale.

Is Nanotechnology New?

• Many existing (old) technologies rely on nano-scale processes – e.g., catalysis, rubber and photography.• Many biological systems are nano-scale.• Ability to analyze (computer simulation) and characterize (STM, AFM etc.) at nanoscale contributes to the rapid development of the field.

尺寸的範例尺寸的範例

1 奈米 (nanometer) = 十億分之1 米(10-9 m) 人高

紅血球分子及DNA

氫原子

針頭

1 奈米0.1 奈米

1千 奈米

100萬 奈米

20億 奈米

奈米奈米科技科技(Nano(Nanotechnology)technology)

國際標準 定義的縮寫符號

• 10的?次方 縮寫 符號 10的?次方 縮寫 符號1 deka da -1 deci d2 hecto h -2 centi c3 kilo k -3 milli m6 mega M -6 micro μ9 giga G -9 nano n12 tera T -12 pico p15 peta P -15 femto f18 exa E -18 atto a21 zetta Z -21 zepto z24 yotta Y -24 yocto y

水分子有多小？

一個水分子當然小到肉眼都看不到，到底它有多小呢？可以很簡單的用下面的方法來推算。

一莫耳的水共有6.02 × 1023個分子，重量是18.02克，攝氏25度時水的比重為0.997，所以每個水分子體積為3.0 × 10-23立方公分。

奈米奈米科技科技(Nano(Nanotechnology)technology)Technology:The branch of knowledge that deals with the creation and use of technical means and their interrelation with life, society, and the environment, drawing upon such subjects as industrial arts, engineering, applied science, and pure science.

--The Random HouseDictionary

科技:有關技藝工具的發明與使用，以及研究它們與我們的生活、社會、和環境之間交互關係的一門學問。它常利用工藝、工程、應用科學、及基礎科學等學門的相關知識。

--藍燈書屋字典

奈米科技的操作型定義奈米科技的操作型定義

奈米科技乃根據物質在奈米尺寸下

之特殊物理、化學、和生物性質或

現象，有效地將原子或分子組合成

新的奈米結構；並以其為基礎，設

計、製作、組裝成新材料、器件、

或系統，使它們產生全新的功能，

並加以利用的知識和技藝。

有別於傳統由大縮小的製程，奈米

科技乃由小作大。

奈米科技的基礎及典範

奈米科技的基礎奈米科技的基礎

奈米結構的大小約為 1 到 100奈米，也就是在分子和次微米結構之間。在此尺寸下，許

多量子效應與現象特別顯著，因此，奈米結

構能產生完全不同於大尺寸物質的新性質。

除了尺寸小以外，奈米結構的特徵還包括高

表面/體積比、高密度堆積的潛力、以及在結構組合上的彈性。

臨界尺寸臨界尺寸

Ohm’s law, Drude model“usual” devices

大尺寸l

lϕ

λF

Quantum ballistic transportation:Quantized conductance

Conductance quantization, Quantum Hall effects

elastic m ean free path l = vF τl ≈ 0 .01 ~ 0.1 μm for m eta ll ≈ 0 .1 ~ 10 μm for G aA s

Weak localization, Aharonov-Bohmoscillation, Universal conductance fluctuations

Mesoscopic regime: Quantum interference inelastic m ean free path

(phase breaking length)

lϕ ≈ 0.2 ~ 20 μm fo r G aA s

ϕϕ τDl =

≈0.1 ~ 1 μm for metallϕ

Quantum size effects:Quantum confinementEnergy level splitting in quantum dots

λF ≈ 0 .4 nm for m etalλF ≈ 40 nm for G aA s

λ F = 2π/ kFFermi wavelength

小尺寸

a/2 x

V(x)

0

∞ ∞

-a/2

Ψ(x) =sin(nπx/a), n even

cos(nπx/a), n odd{ E = n2π2η2/2ma2, n = 1,2,3…

a/2 x

Ψ(x)

0-a/2n = 1

2

3

4

5

原子能階

一維尺寸效應一維尺寸效應

奈米科技的極致奈米科技的極致

M.F. Crommie et al.,Science 262, 218 (1993).

5 nm

各型量子阱

D.M. EiglerIBM, Amaden

量子幻象 (Quantum Mirage)

H. C. Manoharan et al.,Nature 403, 512 (2000).

奈米碳管

奈米碳管的電性

以單壁奈米碳管做成的三極體

S.J. Tans et al.,Nature 393, 49 (1998).

以奈米碳管做成的RAM

T. Rueckes et al., Science 289, 94 (2000).

發展奈米科技的必要性

發展奈米科技的必要性發展奈米科技的必要性

• 滿足人類的好奇心

發展奈米科技的必要性發展奈米科技的必要性

“假如有人問我：在可預見的未來，哪個科技領域會有突破性的進展？我的回答將是奈米科技”。

-- Neal Lane前美國總統科技顧問

““奈米科技提供了我們能操控原子奈米科技提供了我們能操控原子和分子的工具。由於所有的物質都和分子的工具。由於所有的物質都是以它們來建構的是以它們來建構的……創造新事物的創造新事物的可能性，顯得無遠弗屆可能性，顯得無遠弗屆””。。

---- Horst Horst StormerStormer19981998年諾貝爾物理獎得主年諾貝爾物理獎得主

發展奈米科技的必要性發展奈米科技的必要性

• 滿足人類的好奇心

• 滿足人類對微小化器件的需求

電子元件的尺寸

1st transistorQuantum-dot

turnstile Quantum corral

Nanotube transistor

One-atom contact

Century ofNanotechnology

19901980 20001960

發展奈米科技的必要性發展奈米科技的必要性

• 滿足人類的好奇心

• 滿足人類對微小化器件的需求

• 滿足人類對資源更有效利用的要求

奈米結構的特性

世界人口增長率

公元年

-500 -250 0 250 500 1000 1250 1500 1750 2000 2250

0

24

68

1012

Level sustainable with

ARABIAN Technology

13

57

911

0

器件尺寸(Log(nm

))

?

孔子 耶穌 穆罕默德 伽利略 瓦特

黑死病

WWII

人口數＾十億﹀

(台大張慶瑞教授提供)

奈米尺寸器件的優點

• 需要的材料少• 用於製造的能量低• 運轉的耗能低• 對環境的破壞小• 具有新的性能• 功能密度增高• 運轉速度加快• 安全性增加

“奈米科技”是個新名詞，卻不是個新領域

自然界的奈米科技：植物中用來進行光合作用的細胞

奈米結構的製作奈米結構的製作

• 物理方法：蒸鍍、蝕刻、模壓

蒸鍍

EvaporationGun

LN2 or LHeCooling

以蝕刻作成的奈米吉他

世界上最小的吉他，全長10μm。含六根絃，每根50nm寬。

~30 kV

電子蝕刻

模壓

奈米結構的製作奈米結構的製作

• 物理方法：蒸鍍、蝕刻、模壓

• 化學方法：還原、自組

還原

AuCl4- NaBH4

RSH

AgNO3NaBH4RSH

Ag

Au

AuCl4-,

NaBH4 (C8H17)4N+Br- RSH+ +

(中研院陶雨臺博士提供)

自組

奈米結構的特性奈米結構的特性

• 化學特性

hydrophilic

hydrophobic

共聚高分子結構共聚高分子結構

奈米結構的特性奈米結構的特性

• 化學特性

• 電導特性

庫倫屏障 (Coulomb Blockade)Source

Gate

Drain

-0.4 0.0 0.4-1.5

0.0

1.5

4.2K

300K 77K

I(nA

)

V (V) (中研院陳啟東博士提供)

金線中的量子接點

H. OHNISHI et al.Nature 395, 780 (1998).

奈米結構的特性奈米結構的特性

• 化學特性

• 電導特性

• 比熱特性

0.01 0.1 1 100

5

10CeAl2 THCN/T

C/T0.7Ck/T

C/T

(J m

ol-C

e-1 K

-2)

T(K)

(中研院陳洋元博士提供)

奈米顆粒之比熱

奈米結構的特性奈米結構的特性

• 化學特性

• 電導特性

• 比熱特性

• 光學特性

發光二極體

奈米結構的特性奈米結構的特性

• 化學特性

• 電導特性

• 比熱特性

• 光學特性

• 機械特性

奈米碳管的韌性

奈米結構的檢測工具奈米結構的檢測工具

• 電子顯微鏡

穿透電子顯微術(TEM)

量子點

內部結構

單壁及多壁奈米碳管

掃瞄電子顯微術(SEM)

100 nm1 μm

(a) (b)

懸浮結構的SEM像

(中研院陳啟東博士提供)

奈米結構的檢測工具奈米結構的檢測工具

• 電子顯微鏡

• 掃描探針式顯微術

掃描穿隧顯微儀(Scanning Tunneling

Microscopy)

原子圖像

單原子探針

J.Y. Fu et al.PRB, (2001).

二維量子島

468

0 1 2-2 -1Sample Bias (Volt)

dI/dV

4

68

0 1 2-2 -1Sample Bias (Volt)

dI/dV

EF

W.B. Su et al.PRL, (2001).

平移原子操縱術

D.M. EiglerIBM, Amaden

場蒸發原子操縱術

100 Å

奈米化學

原子力顯微儀 (Atomic Force Microscopy)

其他掃描探針式顯微儀

掃針式顯微術的瓶頸

奈米結構的檢測工具奈米結構的檢測工具

• 電子顯微鏡

• 掃描探針式顯微術

• 計算與模擬

計算複雜程度與尺度的關聯

時間尺度

空間尺度

電腦模擬電腦模擬DDNANA動態動態

奈米結構的應用奈米結構的應用

• 除污劑

生化武器感測及去除生化武器感測及去除

奈米結構的應用奈米結構的應用

• 組合材料

奈米顆粒合成材料奈米顆粒合成材料

奈米結構的應用奈米結構的應用

• 三極體

Electrostatic energy E(n) = (ne+ CgVg)2/2CSEC ≡ e2/2CS Q ≡ CgVg

E(n)

1e 2e 3e-1e-2e-3e

EC

4EC

0

n =

0

n =

-1

n =

-2

n=0 n=-1 n=-2 n=-3

Cg

CDCS

VgVS VD

ICΣ = CS+CD+Cg

單電子三極體

curr

ent (

nA)

gate voltage (Vg)

0.5

0

G / G

o

T = 4.2 K VD - VS = 1.742 mV

Go ≡ 1/ (R1 + R2)Experiment Calculation

200 nm

Island

Gate

DrainSourceJunction

+Vb/2Vg

-Vb/2

(中研院陳啟東博士提供)

奈米結構的應用奈米結構的應用

• 除污劑

• 組合材料

• 三極體

• 邏輯電路

分子邏輯電路

P-Si

N-GaNAu

Al

A. Bachtold et al. Science 294, 1317 (2001)Y. Huang et al. Science 294, 1313 (2001)

J.H. Schon et al. Nature 413, 713 (2001) K.M. Roth et al. JVST B18, 2359 (2000)

V1

V2

Vo

Vc

V1 V2

Vo

Vc(5V)

R

“AND”

奈米結構的應用奈米結構的應用

• 除污劑

• 組合材料

• 三極體

• 邏輯電路

• 奈米電子元件

奈米電子元件

奈米結構的應用奈米結構的應用

• 除污劑

• 組合材料

• 三極體

• 邏輯電路

• 奈米電子元件

• 操控奈米粒子

奈米鑷子

奈米鑷子操作實況

奈米科技對我們未來奈米科技對我們未來可能造成的影響可能造成的影響

•• 以往科學發現與技術發展的關聯以往科學發現與技術發展的關聯

• 技術1990 .. 巨磁阻讀寫頭1980s. 掃描穿隧顯微術1970s. 大規模計算1970s. 半導體雷射1970s. 光纖1961 .. 雷射1959 .. 積體電路1947 .. 三極体1930 .. 電子顯微鏡1876 .. 電話

基礎科學研究與技術發展的關聯基礎科學研究與技術發展的關聯

科學基礎科學基礎

1980s. 1980s. 藕合藕合電子態電子態1957 .. 1957 .. 超導理論超導理論1929 .. 1929 .. 電子能帶理論電子能帶理論1927 .. 1927 .. 電子具波動性電子具波動性1920s .1920s .量子力學量子力學1911 .. 1911 .. XX光繞射光繞射1911 .. 1911 .. 發現超導現象發現超導現象1856 .. 1856 .. 發現發現巨磁阻巨磁阻

影響影響

電腦電腦

通訊通訊

國防國防

能源能源

運輸運輸

娛樂娛樂

醫藥醫藥

奈米科技對我們未來奈米科技對我們未來可能造成的影響可能造成的影響

•• 以往科學發現與技術發展的關聯以往科學發現與技術發展的關聯

•• 以三極體的發展歷史來看以三極體的發展歷史來看

所有對科技可能帶來的社會影響的預測，都只能就現有技術的演進來評估其未來的發展；對革命性的技術突破所造成的衝擊，幾乎是不可預測的。

在1950年左右，曾有一批專家就電腦未來的發展做預測。由於當時的電腦是用真空管做的，十分耗電笨重。 他們的結論是未來的電腦每秒將可做5000次運算，重3000磅，並且只耗電10千瓦，全世界大概只需要10台。

現代的筆記型電腦，每秒將可做幾百萬次的運算，重只有幾磅，並且只耗電約1瓦。目前，全世界大概有超過10億的微處理器，使用在電腦、手機、家電用品、汽車、醫學器材等各方面的應用。

第一個三極體及當前的Pentium處理器

BardeenBrattainShockley(1947)

積體電路 (IC)

積體電路的演進

Jean Hoerni

現代積體電路的平面製程

積體電路中的三極體數量

積體電路製程的特色

• 整批製作• 在無塵室製作• 製程精確化• 製程標準化• 製程電腦化• 製程中有許多監控點• 需大量分工精細的工程師• 產生許多代工晶圓廠• 創造新的產業文化

Materials

Devices

Circuits

Systems

Architecture

奈米科技對我們未來奈米科技對我們未來可能造成的影響可能造成的影響

•• 以往科學發現與技術發展的關聯以往科學發現與技術發展的關聯

•• 以三極體的發展歷史來看以三極體的發展歷史來看

•• 各國及我國對奈米科技的發展策略各國及我國對奈米科技的發展策略

各國對奈米科技的投資一覽表各國對奈米科技的投資一覽表

百萬美元

百萬歐元

百萬美元

單位

1,300(2002-2006)

~200184歐洲

580(2002-2006)

~7~5台灣

投資額度與美國相仿日本

519422270美國200220012000

註：美國 NSF 預估，到 2015 年時，奈米科技相關的產品及服務的年總產值約為 1 兆美元。

結語結語• 二十世紀可稱為矽晶時代，它帶來資訊產業的革命。目前奈

米科技的發展，還在起始階段，其潛力尚難準確判斷；然可預期的是，它對我們在新世紀生活的影響，將遠超過矽晶時代。因為它所涵蓋的範圍，除了電子，還包括材料、機械、資訊、生物、醫學等領域。

• 奈米科技的發展，亟需結合跨領域的知識，建立從製作、檢測、到應用的團隊，始易有所突破。中研院物理、化學、原子及分子科學、應用科學及工程等所正朝此方向努力中。

• 奈米科技的發展雖剛起步，然而在知識就是力量和財富的時代，各先進國家都在科技的前延積極投資，培育人才，創新知識，我們亦不當例外。

• 對願意投入該領域的研究者，這是值得興奮的時刻；因為不論是在科學上或工程上都充滿挑戰，也意味著將有重大的突破。