奈米科技(張洵愷老師)

Report
奈米科技(上)
Nanotechnology

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。
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。
• 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。
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
100 μm
• 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
• 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。)
碘原子
白金表面
STM
未吸附碘原子
的缺陷
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
• 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。
• 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。
? nm
20nm
AFM
• 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
• 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
• 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
• 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
「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。
• 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:
STM
AFM
偵測
穿隧電流
原子間作用力
適用範圍
限導体
導體、絕緣體、生物體
鑑別率
~0.02nm
~0.02nm
功能
顯微、操控原子
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。
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。
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。
打開的密封室
劍橋S150型掃描電鏡,位於基爾大學地質研
究所,1980年拍攝
SEM成象圖
花粉
螞蟻頭部
果蠅複眼
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?
ANS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
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
奈米科技(下)
Nanotechnology
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。

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。

隨著光源波段的不同,製程技術已經由Gline(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。
•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。
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)。
• 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。
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。
• 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。
奈米級的
精細結構
附著力小
形成水珠
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。
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
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。
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 。
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。

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。
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
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。
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。
(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。
(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
(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。
下面所列為目前市面上可見的奈米科技產品
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。
隨堂考
1.
2.
3.
4.
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。
ANS
1.
2.
3.
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。

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