Transcript 奈米科技(張洵愷老師)
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。