使用奈米材料作為製造元件的最小組成單元

近年來由於對奈米材料的研究蓬勃發展，許多具有新穎特性的奈米材料陸續 被發現，而製造這些奈米材料的技術也漸趨穩定，科學家遂認為可以利用具有新 穎物理特性的奈米材料作為最小組成單元(building block)以由下至上的方式製造 出電子元件。

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1.2.1 現今操作奈米線做為製作元件最小組成單元之技術

在2001 年，哈佛大學 C. M. Lieber 教授所領導的研究團隊陸續發表各種以 奈米線作為最小組成單元(building block)製造的電子元件[2-7]。他們成功的以

p-type 與 n-type 的 InP 奈米線作為最小組成單元製造了場效電晶體(field-effect

transistor, FET)，並將兩種 InP 奈米線跨接獲得 p-n 接面並證實了其可作為光電元 件[2];同年 Lieber 等人也發表了以一維奈米結構為最小組成單元製造大片可操作 網路(functional network)的技術[3]，在 2005 年更使用類似的技術將不同材料的 n-type 奈米線與 p-type 矽奈米線跨接從而獲得了可以發出不同色光的奈米光學元 件[6] (圖 1-1)。

圖1-1 C. M. Lieber 等人製造的(a) (b)奈米等級光電元件、(c)可操作性網路以及(d) (e)可發出不同波長光波奈米等級 LED。圖(c)中的比例尺為 500 nm。[2, 3, 6]

由於p-n 接面是許多電子元件的基礎，使用具備 p-type 與 n-type 不同性質的 奈米線製造出p-n 接面意味著以同樣的技術製造更複雜的電子元件是可行的。在 獲得使用奈米結構製造p-n 接面的技術後，Lieber 的研究團隊成功使用 p-type 與

n-type 矽 奈 米 線 為 基 礎 製 造 出 雙 極 電 晶 體 (bipolar transistor) 與 互 補 反 向 器

(complementary inverter)[4](圖 1-2)，其中雙極電晶體作為放大器能夠將電流訊號 放大兩個數量極，為在奈米尺度下極好的放大器。這些操作奈米線製造電子元件 的技術為製造更複雜的計算邏輯閘奠定了基礎。

圖 1-2 C.M. Lieber 等人製造的雙極電晶體之示意圖(a)與 SEM 圖(b)，圖(b)中的 比例尺為500 nm。圖(c)與圖(d)為集極與基極電流對基極電壓之變化圖，可明顯 看出電流被放大近兩個數量倍。圖(e)與圖(f)為 Lieber 等人以同樣技術製造的互 補反向器示意圖。[4]

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為了製造可供應用的奈米電子元件，AND 邏輯閘、OR 邏輯閘與 NOR 邏輯 閘等計算邏輯閘相繼被製造出來，以這些邏輯閘為基礎，科學家成功製造了XOR 邏輯閘與半加法器(half adder)等更進階的邏輯閘[5] (圖 1-3)。

圖 1-3 Lieber 等人以奈米線為最小組成單位製造的 OR(a)、AND(b)以及 NOR(c) 邏輯閘。(d)為將 AND 與 NOR 邏輯閘串接後獲得的 XOR 邏輯閘之輸入輸出曲線。

(e)為由 XOR 與 AND 邏輯閘組成的半加法器以及其輸入輸出真值表(f)。[5]

1.2.2 現今操作奈米顆粒做為製作元件最小組成單元之技術

除了奈米線之外，奈米顆粒也被認為可以做為製造電子元件的最小組成單元 [8]；其中半導體奈米顆粒由於其物理性質會隨著形狀以及尺寸顯著的改變以及 其可以與生物體結合的特性特別吸引科學家的注意[9-14]。

為了達到以奈米顆粒為基礎做成較大尺度元件的目的，科學家嘗試將奈米顆 粒鋪成微米等級大小的薄膜。1995 年 C. B. Murray 等人成功的以 5 nm CdSe 的奈 米 顆 粒 為 基 礎 製 造 了 規 則 排 列 的 三 維 奈 米 顆 粒 陣 列(3-D ordered array of nanocrystal)(圖 1-4)，由於其周期性排列的特徵，此種週期性排列的陣列又被稱 為超晶格結構(superlattice)[15]。

圖 1-4 C. B. Murray 等人以直徑 5 nm 的 CdSe 奈米顆粒製造的超晶格結構之(a) (001),(b) (111)以及(c) (100)面之 TEM 圖。(d)為超晶格結構以及各晶格面示意圖。

[15]

2003 年 F. X. Redl 等人成功的將 11 nm 的 γ-Fe2O3磁性奈米顆粒與6 nm 的 PbSe 奈米顆粒形成雙重超晶格結構(binary superlattice)[16]。這種混合兩種不同性 質奈米顆粒形成超晶格的技術，使科學家相信利用不同物理性質奈米顆粒製造大 尺度的元件是可能的。另一方面，為了進一步使用奈米顆粒製造可使用的元件，

2008 年 U. C. Coskun 等人使用了選擇性沉積(selective deposition)的方式將今奈 米顆粒沉積在二氧化矽基板上特定的區域裡，並且製造出以單顆金奈米顆粒串接 而成的鏈狀結構[17](圖 1-5)。至此，科學家已經能夠利用單一或是混合的奈米

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顆粒製造出周期性的陣列，並且能使奈米顆粒選擇性的沉積在電子元件上所需要 的位置。

圖 1-5 (a), (b) F. X. Redl 等人製造的 γ-Fe2O3 與 PbSe 奈米顆粒的雙重超晶格結構。

(c), (d)為 U. C. Coskun 等人放置在電極上的單顆金奈米顆粒鍊。[16, 17]

這些操作奈米結構的技術除了使科學家開始試著製造更複雜的元件，同時也 指出了開發具有新穎物理特性的奈米結構之重要性。結合開發新的奈米材料與持 續精進操作奈米結構的技術將使得科學家能以這種由下至上的方式創造更新穎 的應用元件。