Transcript 奈米科學發展的里程碑(續)

2007 高中物理教師現代科技研習會
奈米科學簡介
Introduction to NanoScience
逢甲大學光電學系 蔡雅芝
日期：2007/1/16
地點：逢甲大學圖書館
1
內
容
啥米是奈米──緒論
奈米材料的定義／奈米現象／奈米科學的特色
光縮小就行嗎──尺寸效應
費因曼的演說／光縮小行嗎／表面-體積比
電子的雙重性格──波粒二象性
物質波／電子顯微鏡
離散的能階──量子侷限效應
量子尺寸效應／能量量子化／量子點
都是機率在作祟──量子穿隧效應
位障穿隧／掃描式探針顯微鏡／原子力顯微鏡
碳六十／碳奈米管／蓮花效應
2
奈米是啥米？
10-9
1 nano =
奈米(nanometer)是長度單位。
1奈米 = 10-9 米 (十億分之一米) = 10 埃(Å)
DNA
1奈米
紅血球
103 奈米
Nano-tech
原子
分子
針頭
106 奈米
Nano在希臘文中
是“侏儒”的意思
幼童
109 奈米
IC
3
Prefixes 字首
• Prefixes correspond to
powers of 10
• Each prefix has a specific
abbreviation
• Can be used with any base
units
• Examples:
 1 fs = 10-15 s
 1 GB = 109 Byte
 1 nm = 10-9 m
4
追逐微小化的夢想
由於人類對密度高、容量大、速度快的材料及元件的殷切
需求，「微小化」已成為21世紀科技發展中的一項重要課
題，而奈米科技就是以這個主題為目標的科技。
以光儲存為例：
光碟片(CD)：640 MB  儲存點大小約500奈米
如果：
How?
儲存點縮小成50奈米 容量？
64 GB
儲存點縮小成0.5奈米 容量？
640 TB
640 TB有多大？
可塞下整座圖書館！
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一顆奈米級粒子到底含有多少個原子？
金原子的半徑為0.16 nm，一顆直徑為5 nm的球狀金奈米微
粒，大約包含幾顆金原子？
(a) 80顆 (b) 200顆 (c) 1000顆 (d) 4000顆 答案：3800顆！
1
<<
微觀
3,800
介觀
<<
1023
巨觀
微觀(microscopic)
介觀(mesoscopic)
巨觀(macroscopic)
量子物理：探討原
子、分子與電子的
行為，適用於奈米
至次奈米的尺度
奈米材料或元件
的尺度剛好介於
普通尺寸與原子
尺寸之間
古典物理：研究物
質整體的行為，適
用於日常生活中的
普通尺度
介觀物理(Mesoscopic Physics)登場
6
奈米材料的基本定義
三個維度中至少有一維的長度屬於奈米級(1~100 nm)，
就稱為奈米材料。
二維：層狀
奈米薄膜
三維：塊材
一維：柱狀或線狀
奈米線、奈米棒
零維：顆粒狀
奈米微粒、
量子點
奈米材料的特性
活性變大、電阻升高、強度硬度增加，光學、電學、磁
學、熱力學特性皆與相同物質形成的塊材大不相同。
7
奈米科學的特色
 特色之一：跨領域
橫跨許多領域，從基礎科學到工程應用都有關連，而且
應用上經常需要跨領域的整合。
例如：量子點生物螢光標籤
(化材+生醫+光電)
 特色之二：應用範圍廣範泛
從日常的民生產業到尖端的高科技領域，都能找到與奈
米科技相關的應用。
台積電的65奈米
例如奈米馬桶
高階製程
8
 特色之三：點石成金─材料的改質
黏土為層狀物質，
層間距為奈米級
1987年日本 Toyota的科學家為了
尋求適合做為汽車內裝的材料，
將少量(~5%)具有奈米層狀結構
的黏土，添加到高分子材料中，
開發出有名的高分子/黏土奈米
複合材料Nylon 6/Clay。
這種奈米複合材料具有質輕、高
強度、高阻氣性、耐燃等優點，
可以算是第一個大量生產的奈米
產品。
9
 特色之四：師法大自然─仿生學
大自然中有許多天生的奈米材料，例如
人類的骨髄
小腸上的指狀絨毛
蝴蝶翅膀鱗粉的微結構
...等等
例如有名的「蓮花效應」（lotus
effect）是指荷葉表面除了有拒水性
的物質外，還擁有奈米級的結構，
因而有抗水防塵的自潔功能。
這個特性能用來改善戰機雷達天線
罩，也可以運用來生產自潔玻璃及
奈米馬桶等民生用品。
10
 特色之五：製作方法可分成兩大類
由大作小 (top-down)
vs.
由小作大(bottom-up)
例如微影術
(lithography)
例如自組成
(self-assembly)
 特色之六：全新概念之設計
許多奈米元件雖然名稱與現存的元件類似，但操作原理卻
完全不同，例如單電子電晶體、分子馬達…
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奈米科學發展的里程碑
* 里程碑眾多，此處僅列出幾則稍後會深入討論者。
 1931 電子顯微鏡問世
 1959 費因曼的演說
“There’s Plenty of Room at the Bottom”
 1962 九保亮五提出量子侷限理論
 1982 蘇黎世IBM的賓尼及羅勒發明掃描穿隧式顯微鏡
 1985 Curl Jr., Kroto & Smalley 等人發現 碳六十分子
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費因曼的演說
理查‧費因曼(Richard P. Feynman)
1959年，費因曼在加州理工學院舉行的美國
物理年會上，以
“There’s plenty of room at the bottom”
「底下的空間還多得是」
為題演講。他在演講中指出，操縱與控制微小物體的可能性
並不違反物理定律，鼓勵世人朝原子尺度去思考，並預測科
學家將在微小世界中發現許多新奇的現象。
費因曼以如何將二十四冊的《大英百科全書》全抄寫在一枚
大頭針的圓頭上為例，說明微小化的可能性。
13
大英百科全書 vs 大頭針
“Why cannot we write the entire 24 volumes of the
Encyclopedia Britanica on the head of a pin? “
大頭針圓頭
直徑~0.16cm
放大25000倍
縮小25000倍
24冊大英百科
全書的總面積
行得通嗎？ 關鍵在於解析度不能小於原子 !
書中最小的點
人眼解析度極
限~0.02cm
縮小25000倍
OK!
80埃，32個金
屬原子的寬度
~1000個原子
14
費因曼與微型馬達
費因曼挑戰
費因曼不只宣揚微小化的理念，他
甚至懸賞1000美金，給第一個製造
出「小於64分之一吋的電動馬達」
的人。
一位名叫William McLellan年輕人的花
了許多工夫，以顯微鏡及鑷子完成一
具微型電動馬達，贏得這份獎金。
然而，該微型馬達目前靜躺在加州理
工學院的展示盒中，很早就已停止運
轉了。
WHY？
15
光是按比例縮小，不行嗎？
長度為 L之物體
先不談其他因素，
光是看尺寸效應
 表面積  L2, 體積  L3
 表面積／體積  L-1
問：尺寸縮小100倍， “表面積/體積比”怎麼變化？
答案： 表面積/體積比增加 100倍 ！
但是，主宰摩擦力的
物理定律並沒有改變
進入奈米範疇，
摩擦力的影響激增！
16
光是按比例縮小，當然不行
正常人一天的食量大概為體重的十分之一
為什麼巴掌大的老鼠一天可以吃掉自身體重十倍的食物？
食量  散熱  表面積  L2
體重  體積  L3
 食量/體重 ~ L-1
親愛的，
我把孩子縮小了
身長變了，
“運轉機制”
也要跟著換！
孩子如果不一直找食
物吃，很快就會凍死
17
影響巨大的尺寸效應
金（Au）
粒徑(nm) 所含原子數
粒子越小，所含的原子數
越少，暴露在表面的原子
所占的比例就越高。
表面原子
所佔比例( %)
1
30
99
2
250
64
5
4,000
25
10
30,000
13
20
250,000
18
6
表面原子比例與化學活性
奈米粒子由於尺寸
極小，表面原子所
佔比例極大
表面原子的熱穩定性
與化學穩定性都比內
部原子差很多。例如
金塊材非常穩定，但
金奈米微粒卻可以做
為觸媒。
表面原子由於配位數
不足及高的表面能，
因此易與其他原子結
合以求穩定，故具有
很高的化學活性。
表面原子比例的多寡
，反應了催化能力的
好壞；表面積大是一
個良好觸媒的基本要
求。
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奈米科學發展的里程碑
 1931 電子顯微鏡問世
可見光波長 ~ 550 nm
電子波長 ~ 0.1-1 nm
開始具有觀察奈米世界的潛力
 1959 費因曼的演說 “There’s Plenty of Room at the
Bottom”
 1962 九保亮五提出量子侷限理論
 1982 蘇黎世IBM的賓尼及羅勒發明掃描穿隧式顯微鏡
 1985 Curl Jr., Kroto & Smalley 等人發現 碳六十分子
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波動粒子二象性(Wave-Particle Duality)
“光”，既是波動，也是粒子！
P = E / C = h /λ
1924年 de Broglie提出了物質波的假設
既然光有「波粒二象性」，
那麼實物粒子也同樣可以具有
「波粒二象性」 ！
“電子”，既是粒子，也是波動
！
波長 λ = h / P
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電子波動性的證明─雙狹縫實驗
電子源
螢幕
22
為何平常不見電子的波動性？
能量為1 eV(~矽的能隙)的電子， de Broglie波長有多長？


h

p
h
2mEk
6.6 1034 J  s

 2  9.110

=1.23 nm
31


kg  1eV  1.6  10
• 能量越高，波長越短
• 平常的電子波長只有約 0.1~1 nm !
19

J/eV 
1
2
在這種尺度下，
波動性才會現形
巨觀下可以忽略電子的波動性，但在奈米範疇，電子的波
動性影響巨大，不容忽視！
23
量子效應登場
當材料進入奈米尺度時，由於電子的波動性開始變得明顯，
其能量狀態的分佈由連續轉變為量子化(quantized)。
許多奇特的物理現象如量子侷限
效應、量子穿隧效應等相繼出現，
造成材料特性的極大改變。
只有深入了解這些新現象後，
科學家才可能改良甚至設計
出新一代的奈米元件。
24
奈米科學發展的里程碑(續)
 1931 電子顯微鏡問世
 1959 費因曼演講 “There’s Plenty of room at the bottom”
 1962 久保亮五(Ryogo Kubo)提出量子侷限理論
(quantum confinement theory)
 1982 蘇黎世IBM的賓尼及羅勒發明掃描穿隧式顯微鏡
 1985 Curl Jr., Kroto & Smalley 等人發現 碳六十分子
 1986 Binnig, Quate & Gerber發明原子力顯微鏡
25
古典的觀點(當做粒子來看)
盒中的粒子
能量可以是任意值！(連續變化)
26
量子的觀點(當做波來看)
駐波條件 n  / 2 = L
p2  h 2  2
n
En 
 
2 
2m  8mL 
形成穩定的駐波
能量量子化！
n是整數
27




2
 h
 2
E2  
2
2 
 8m L  


 2 
Quantum confinement effect
量子局限效應
 h2  2
2
 4
2 
 8mL 
隨著尺寸減小，電子
能階愈來愈分散！




2
 h

E1  
2 
L
 8m  


2
   
 h2  2
2
E 2  
2 
 8mL 
h2
4
8mL2
h2
E1 
8mL2
L/2
L
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能階間的躍遷(Energy Transition)
高能階與低能階之間的能
量差為
E = (Ei – Ef )
若入射光子的能量正好等
於E ，即
hf = E
則低能階的電子會吸收該
光子並躍遷至高能階。
同理，當電子由高能階落
至低能階時，亦會將多餘
的能量以光子的形式釋放
出來。
29
硒化鎘奈米微粒的量子局限效應
量子侷限效應：粒徑越小，能隙越
大，因而釋放出的光子能量越大。
同為硒化鎘(CdSe)奈米微晶，由右
至左粒徑由3.5 nm減少到2.1 nm。
同樣材質可以僅因粒徑不同，便具
有不同的光學性質！
粒徑漸小
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量子點的應用
量子點可應用於半導體雷射、
光感測元件、單電子電晶體、
記憶體、觸媒等
螢光標籤
量子點具有離散的能階，可發
出不同波長的光，因此可做為
特殊的螢光標籤，取代生物檢
測使用的染色劑。
奈米條碼
如果將不同組合的量子點裝入乳
膠粒中，在光線照射下，珠粒會
發出顏色及強度都不同的特定光
譜，好像條碼(bar codes)一般，可
供辨識之用。
31
Quantum Dots fluoresce brightly in a certain color and they are small
enough to be carried throughout the body of live specimens. Shining
a light causes the QD deposits to fluoresce, allowing visualization of
the lymph system of the mouse. This technique could allow
researchers and doctors to easily identify the location of problem
32
cells in the body.
奈米科學發展的里程碑 (續)
 1962 九保亮五提出量子侷限理論
 1982 蘇黎世IBM的賓尼及羅勒(G. Binnig & H.
Rohrer)發明掃描穿隧式顯微鏡(Scanning
Tunneling Microscope, STM)
使人類首度擁有偵測表面原子結構的能力！
 1985 Curl Jr., Kroto & Smalley 等人發現 碳六十分子
 1986 Binnig, Quate & Gerber發明原子力顯微鏡
 1990 IBM的Eigler利用掃描穿隧式顯微鏡探針，以氙原子
在鎳基板上排列成IBM三個英文字母
33
穿隧效應(Tunneling Effect)
• 粒子能穿透比動能更高的位障(potential barrier)
的現象稱為穿隧效應。
• 穿隧效應在古典概念下是無法理解的，它是微
觀粒子具有波動性的表現！
34
穿隧效應之實驗
水波之穿隧
淺水區
深水區
穿隧效應
淺水區
光波之穿隧
35
量子穿隧(quantum tunneling)效應
機率  (振幅)2
位障越高或越寬，
透射波的振幅越小
，代表透射的機率
越低。
36
掃描穿隧顯微鏡
(Scanning Tunneling Microscope, STM)
以金屬探針在導電樣品的表面附近掃描，若在探針與樣品間
施加一偏壓，根據量子穿隧效應，探針與樣品間會產生一穿
遂電流，電流的大小與兩者距離有關。 調整探針的高度使電
流保持固定，便可掃瞄出樣品表面上的原子結構圖像。 37
STM下的原子圖像
樣品不導電怎麼辦？可用AFM…
38
奈米科學發展的里程碑(續)
 1982 蘇黎世IBM的賓尼及羅勒(G. Binnig & H. Rohrer)發明
掃描穿隧式顯微鏡(STM)
 1985 Curl Jr., Kroto & Smalley 等人發現碳六十
(C60)分子
 1986 Binnig, Quate & Gerber發明原子力顯微鏡
 1990 IBM的Eigler利用掃描穿隧式顯微鏡探針，以氙原子
在鎳基板上排列成IBM三個英文字母
 1990 於美國舉辦第一屆國際奈米科技會議，奈米科技正式
成為一門獨立學科
39
碳的同素異形結構
40
碳六十(C60)
1985年由Curl, Kroto 及 Smalley共
同發現，三人合得1996年諾貝爾
化學獎
•含60個碳原子，直徑7.1埃
• 12個五角形 + 20個六角形
•為目前對稱性最高的分子
•除了石墨及金剛石外，第三
個被發現的碳同素異形體
外形酷似…
41
C60結構的破解
科學家雖然知道一個C60分
子含有60顆碳原子，但它們
怎麼排列呢？
1967年加拿大蒙特婁世界博
覽會中，由巴克明斯特‧富勒
( Buckminster Fuller)設計的美
國館，成為Kroto破解C60結構
的靈感。
因此C60的正式名稱為
Buckminsterfullerene，簡稱巴克球
(Bucky ball)。
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奈米科學發展的里程碑(續)
 1985 Curl Jr., Kroto & Smalley 等人發現 碳六十分子
 1986 Binnig, Quate & Gerber發明原子力顯微鏡
(Atomic Force Microscope, AFM)
 1990 IBM的Eigler利用掃描穿隧式顯微鏡探針，以氙原子
在鎳基板上排列成IBM三個英文字母
 1990 於美國舉辦第一屆國際奈米科技會議，奈米科技正式
成為一門獨立學科
 1991 日本NEC的研究員飯島澄男發現碳奈米管
43
原子力顯微鏡(AFM)
n
n'
• 尖針與樣品表面原子間的作用力，會造成懸臂的微小偏折
• 偏折造成雷射的反射角度變化(光槓桿原理)
• 由反射角反推懸臂偏折的程度，並計算出探針與樣品表面的距離
• 重覆上述步驟，便可拼湊出樣品表面原子排列的圖像
44
AFM與STM的差別
原子力顯微鏡以懸臂取代了固定尖針的構造，因此可用於
不導電的樣品上(尤其是生物樣品)，彌補掃描穿隧顯微鏡的
不足，對奈米科技的發展影響更大。
以AFM擷取之IC影像
(5μm x 5μm)
以AFM探針氧化矽表
面製作的清大材料系
徽，最小線寬為50 nm
以AFM探針陣列
製成之
奈米硬碟讀寫頭
45
奈米科學發展的里程碑(續)
 1986 Binnig, Quate & Gerber發明原子力顯微鏡
 1990 IBM的Eigler利用掃描穿隧式顯微鏡探針，
以35個氙(Xe) 原子在鎳(Ni)基板上排列成IBM三個
字母，這是人類首次逐個操縱原子
 1990 於美國舉辦第一屆國際奈米科技會議，奈米科技正式
成為一門獨立學科
 1991 日本NEC的研究員飯島澄男發現碳奈米管
 1997 W. Barthlott and C. Neinhuis 提出了蓮花效應
46
平移原子操縱術
STM探針
針尖
氙原子
鎳基板
在鎳基板上，以35個
氙原子排成IBM三個
英文字母；這是人類
首次逐個操縱原子
47
STM Image Gallery by IBM
CO分子在 Pt 表面上所排列出的
「分子人」，其身高只有5 nm。
在Cu(111)表面上用101個 Fe
原子寫下「原子」二字，為
迄今為止最小的漢字 。
48
奈米科學發展的里程碑(續)
 1990 於美國舉辦第一屆國際奈米科技會議，奈米科技正式
成為一門獨立學科
 1991 日本NEC的研究員Sumio Iijima(飯島澄男)發
現碳奈米管(Carbon Nanotube, CNT)
 1997 W. Barthlott and C. Neinhuis 提出了蓮花效應
 1998 Dekker以碳奈米管製作出電晶體
 2000 前美國總統柯林頓宣佈一項美國國家2001年科研計
劃“國家奈米技術創新”(National Nanotechnology
Initiative, NNI)，投資四億九千七百美元於奈米技術 49
三種單壁碳奈米管
依捲法不同，可分為三型：
Armchair (扶手椅型)
Zigzag (鋸齒型)
Chiral (手性)
幾何結構不同，電子性質
也不同，因此碳奈米管有
金屬與半導體之分
石墨層
由於質輕、韌性高以及獨特的電
子傳輸特性，被認為是極佳的奈
米元件及探針材料之一。 50
碳奈米管的特性比較
特性
尺寸
Size
密度
Density
抗張力
Tensile Strength
韌性
單壁碳奈米管
其他材料
直徑0.4~1.8奈米
電子束微影法可製造出深
數奈米、寬50奈米之線條
1.33~1.40 g/cm3
鋁的密度為2.7 g/cm3
4.51010
高強度合金鋼在 21010
pascals 時斷裂
pascals
Resilience
可彎曲至少90度
再恢復
金屬及碳纖維在顆粒邊界
處斷裂
導電性
估計約109 A/cm2
銅線在106 A/cm2時就燒斷
約1~3V/ m
鉬需要50~100 V/ m的場
強，且壽命十分有限
每公克$1500
(價格不太改變)
金價目前每公克約為
$10(隨局勢波動)
Conductivity
場發射
Field Emission
成本
Cost
51
碳奈米管的應用實例
碳奈米管場發射電子源之
電子顯微鏡照片
碳奈米管已取代傳統場發射
材料，成為場發射平面顯示
器的新寵。日本及韓國皆已
開發出CNT FED (carbon
nanotube field emission
display)之原型，韓國三星並
已推出全彩原型機。
IBM的奈米電子專家已成
功地以半導體型碳奈米管
製成場效電晶體(CNFET)，
並進一步製作出單分子邏
輯閘。
52
奈米科學發展的里程碑(續)
 1990 於美國舉辦第一屆國際奈米科技會議，奈米科技正式
成為一門獨立學科
 1991 日本NEC的研究員飯島澄男發現碳奈米管
 1997 W. Barthlott and C. Neinhuis 提出了蓮花效
應(Lotus Effect)
 1998 Dekker以碳奈米管製作出電晶體
 2000 前美國總統柯林頓宣佈一項美國國家2001年科研計
劃“國家奈米技術創新”(National Nanotechnology
Initiative, NNI)，投資四億九千七百美元於奈米技術
53
蓮花效應(Lotus Effect)
──荷葉為何不染塵埃？
1997年，德國波昂大學
的植物學家Wilhelm
Barthlott藉由一系列的
實驗，發現了蓮花的超
疏水性與自我潔淨的原
理，因此創造了「蓮花
效應」(Lotus effect)一詞，
同時也擁有這個商標的
http://www.botanik.uni54
bonn.de/system/lotus/en/video/video_gesamt.html 專利權。
葉面的奈米結構
蠟質結晶~100 nm
表皮細胞5~15 m
水與這類的表面接觸時，會因
表面張力而形成水珠，而葉面
的奈米結構使水與葉面的接觸
面積更小，只要葉面稍微傾斜，
水珠就會滾離。
蓮葉的表面具有大小
約5~15微米的表皮細
胞，細胞上覆蓋著一
層直徑約100奈米的疏
水性蠟質結晶。
55
界面張力與接觸角
材料在空氣及水形成的環境中，可濕性取決於水/空氣、材料/
水及材料/空氣等三種界面間的張力(tension)。這些張力間的
比值決定了水珠在材料表面的接觸角(contact angle)的大小。
air
荷葉-水界
面之張力
 lw
Water 
 wa

水-空氣界
面之張力
荷葉-空氣
la 界面之張力
Lotus leaf
水平方向合力為零 
 lw   la   wa cos
接觸角
水/材料界面張力大  越小  越易濕潤；反之，越難濕潤
粗糙化  水滴與表面的微結構間充滿空氣  更難濕潤
56
奈米結構與自潔作用
蓮葉上的水珠大約只有2~3%的面積
與葉面接觸，若將葉面傾斜，則滾動
的水珠會吸附起葉面上的污泥顆粒，
一同滾出葉面，達到清潔的效果。
荷葉表面的
奈米結構是
自潔功能的
關鍵。
相形之下，在同樣具有疏水性的光
滑表面，水珠只會以滑動的方式移
動，並不會夾帶灰塵離開，因此不
具有自潔的能力。
57
奈米科學發展的里程碑(續)
 1990 於美國舉辦第一屆國際奈米科技會議，奈米科技正
式成為一門獨立學科
 1991 日本NEC的研究員飯島澄男發現碳奈米管
 1997 W. Barthlott and C. Neinhuis 提出了蓮花效應
 1998 Dekker以碳奈米管製作出電晶體
 2000 前美國總統柯林頓宣佈一項美國國家2001年科研計
劃“國家奈米技術創新”(National Nanotechnology
Initiative, NNI)，投資四億九千七百美元於奈米技術
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結語：超越我們熟悉的古典範疇
• 我們日常生活中所運用的各種原理或機制，都屬於巨觀的
古典範疇
• 在奈米尺度下，量子效應已成為不可忽視的因素，古典理
論已不敷使用
• 再加上表面積所佔的比例大增，物質會呈現迴異於巨觀尺
度下的物理、化學和生物性質
• 在古典範疇中經常使用的概念與原理，必須大幅修正，許
多設計規則也必須調整
• 新的物理將衍生出新的設計概念，據以製造出全新的元件
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奈米科學網 http://nano.nchc.org.tw
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