奈米科技是20 世紀 80 年代末、90 年代出逐漸發展起來的新興 學科領域。早在 1959 年，著名物理學家費曼先生在美國物理學會的 演講 “There is plenty of room at the bottom.”，提出了隨著科技的發 展，越來越往微小尺度發展，有一日可以把大英百科全書記載在金屬 的針頭上。也因為他的演講，使得大家重視到研究微小化，即奈米尺 度下的現象，也開啟了近代研究奈米現象的起頭。距離他提出了這麼 久的今日，奈米材料所具有的特殊性質可應用於製作微型化及高功能 之微電子元件、特殊活性與選擇性之觸媒、奈米複合材料、光電元件、
建築材料、顏料等多方用途，因此奈米技術的開發為現今所有先進國 家發展的重點科技。
1-1 奈米材料簡介
奈米材料泛指至少一個維度座落於奈米數量級範圍內，即介於 1～100nm 之間。除了尺寸大小的限制外，奈米材料在結構上可區分 為以下三種形式：顆粒狀(代表零維材料，0D)、柱狀或線狀(代表一 維材料，1D)與層狀(為二維材料，2D)。
奈米科技便是運用我們對奈米系統的了解，將原子或分子設計
組合成新的奈米結構，並以其為基本「建築磚塊」（building block），
一、量子限域效應（quantum confinement effect）：
Kubo 理論，量子中費米（Fermi）表面附近的電子能階產生離散
的現象，即電子能階從準連續變成不連續的狀態。 shift）、藍位移（blue shift），以及磁性質的變化。
四、表面效應：
奈米粒子的表面原子數與總原子數的比隨著奈米粒子尺寸的減 小而大幅的增加，因而使的表面位能增加。
五、量子穿隧效應與巨觀量子穿隧效應：
材料由巨觀下的鐵磁性，轉變為微小化後的超順磁性粒子。
六、量子干涉效應（quantum interference effect）：
電子被限制在奈米空間的界限下，一般的能帶理論不再適用。
七、單電子或少電子效應之庫倫阻塞（Coulomb blockade for single or few electron effect）：歐姆定律不適用於奈米結構材料。
1-2 奈米微粒簡介
奈米微粒一般是指尺寸在1～100nm 間之粒子， 其顆粒尺寸小 於一般機械研磨可得到之最小粒徑(1～100μm)，所以又稱為超微粒 子。當顆粒尺寸逐漸降低到某一個限度時，比表面積變大，表面原子 數、表面能和、表面張力隨粒徑的下降急遽增加，由於粒子之表面效 應、體積效應與內外交互作用力使得其物理與化學性質與塊狀材料有 著顯著之差異(1)。以下分別敘述之:
1-2-1 表面效應(surface area effect)
當尺寸遞減至一定程度時，暴露於表層的原子數相對於粒子總 原子數的比例大為增加，相較於內部原子，表面的原子配位數較小，
化學鍵屬不飽和狀態，所以能量較大，也使得化學性遠大於塊狀材料 (bulk materials)。許多性質與裸露於表面的原子數目相關，如低燒結 溫度、觸媒活性、低熱膨脹性、光感性等。晶體表面缺陷(surface defect) 則來自於激發時陷入(trapped)的電子或電洞，其影響光學性質甚巨，
所以提升表面品質，可有效改善材料的量子效率(3)。
1-2-2 體積效應
當粒子很大時，可視為由無限多個原子組成，但粒子小至由數千 個原子組成時，則有些物性會有所改變，此種由體積小所產生的變化
稱之為粒子體積效應(4)。粒子體積效應所導致的物性改變可發生於磁 性性質、電學性質、光學性質及化學鍵性質等方面。其中光學性質的 改變有：奈米粒子之粒徑小於光的波長時，光反射率下降，成為光吸 收體。粒徑越小，其紫外光可見光(UV-Vis)光譜中所對應之吸收峰將 往短波長之方向位移，而呈現所謂藍位移(blue shift)現象。奈米粒子
之粒徑遠小於光波長，且表面原子的不安定性與入射光產生複雜的交 互作用，而產生磷光、螢光、拉曼散射等。
1-2-3 交互作用力
奈米粒子所呈現之內外交互作用力方面，由於奈米粒子的表面與內部 距離極短，除粒子內層原子與外層原子互相影響外，粒子間的交互作 用不僅發生在表面，更擴及至粒子的內部。雖然表面或界面的特有現 象大幅影響粒子的特性，但實際上對於奈米粒子所做的分析與檢測乃 是對於整個奈米粉體，所以仍須注意粒子間的相互作用對粒子特性所 造成的影響(5)。
1-2-4 奈米微粒之製備方法
奈米粒子的製備方法大致分為細分化法(breaking-down process)及生 長法(building-up process)，亦稱物理法及化學法。細分化法(物理法) 製程前後的化學組成沒有改變，類似以機械力將固體微細化。生長法
(化學法)是從離子、原子、分子，以核生成、成長兩過程作成粒子，
1-3 磁性奈米微粒
包括鎳(Ni)及鈷(Co)奈米粒子；氧化鐵奈米粒子，其中以γ-Fe2O3 以
及Fe3O4 較 為 常 見 ； 另 外 還 有 複 合 型 的 奈 米 粒 子 ， 例 如 FePt 、 CoFe2O4、MgFe2O4 等。但當中，在生醫方面應用較為廣泛的則是
氧化鐵奈米粒子，因為其高順磁性、低毒性和生物相容性等方面的發 展已達成熟階段，目前發展較為突出的研究有磁共振造影(Magnetic Resonance Imaging)、磁分離純化技術、藥物導向治療(Drug Target Delivery)等。磁性奈米粒子的超順磁性質在生醫領域提供了相當有價
值和廣泛性的技術應用。針對不同的應用層面，在磁性奈米粒子種類 上的選擇及需求各有差異，然而在生醫的應用上必須考慮生物相容性 和穩定性，但未必所有的磁性奈米粒子都能符合其條件，而往往可經 由表面修飾來達到不同的應用目的，因此對於磁性奈米粒子的表面修 飾是一值得研究的領域，目前這方面的研究多以生物相容性的高分子 化合物包覆在磁性奈米粒子外層為主，但缺點之一是增加了整體的粒 徑尺度，而影響其應用性(6)。
在生醫領域以外，磁性奈米粒子的各種性質漸漸被研究並發 掘，而有相當多元化的應用。磁性奈米粒子將在未來將扮演一個重要 的角色，並且在醫學方面提供許多嶄新的技術應用，甚至是突破性的 發展。最近，也有很多學者紛紛研究出新的磁性奈米材料，如Sun(7)利
用熱分解的方法，將兩種金屬的起始物同時參與反應，可得到具有雙 種金屬的磁性奈米粒子MFe2O4(M＝Fe, Co, Mn)，並且可以藉由條件 的調控，可得到調整粒子尺寸的目的。另外，Sun(8) 也成功地合成出 FePt/Fe3O4 的核/殼層結構的雙金屬磁性奈米粒子，而且有趣的是，
藉由調控殼層的厚度，可改變整個雙金屬粒子的磁性。
1-3-1 磁性理論簡介
物 質 磁 性 的 來 源 ， 是 由 電子繞行原子核的軌道運動(orbital
motion)，和電子本身的自旋運動(spinning motion)所貢獻而來。由於 在同一軌道的成對電子(自轉方向相反)軌道運動相反，導致它們的軌 道角動量、自轉角動量彼此互相抵消，故無法產生磁矩，換言之，一 原子或離子要有磁矩，必須有不完全填滿的電子，例如：鐵族元素的 3d電子或稀土類元素的4f電子等，其內部原子或離子均有不完全填滿 的電子(9)。
在一般強磁性材料內部，磁性體為降低晶格能，使離子磁矩耦合而電 子自旋方向平行排列成小區域，此小區域稱為磁區(magnetic
domain)。無外加磁場時，各磁區的磁矩向各方向分佈，物質全體的 磁矩為零。磁區間的交界稱為磁壁(domain wall)。如對鐵磁性物體施
加外部磁場時，起先因磁壁的移動，最後因磁區的旋轉而增大磁區，
全體在磁場方向磁化，如圖1-1 所示。
圖1-1 兩相鄰磁區間磁化方向變化情形
從 磁 學 的 觀 點 來 看 ， 物 質 有 順 磁 性(paramagnetic)、 反 磁 性 (diamagnetic)、鐵磁性(ferromagnetic)和亞鐵磁性(ferrimagnetic)。其中
鐵 磁 性 及 亞 鐵 磁 性 物 質 最 受 到 矚 目 ， 因 為 他 們 具 有 自 發 性 磁 化 (spontaneous magnetization)的特性。測量鐵磁性物質對外加磁場的反 應可得到如圖1-2 所示的磁滯曲線(magnetic hysteresis loop)。從磁化 M 為0 的狀態增大到磁場H 的話，延曲線OAB(初期磁化曲線)磁
化，在B 達到飽和(磁飽和)。從B 的狀態減少H 而成0 時，也有OC 的 磁化殘留，此稱殘留磁化(residual magnetization)Mr。若進一步反向增 大H，磁化會隨曲線CDE 變化，在E 達飽和。施加逆向磁場時，M 為 0 的D 點磁場強度Hc 稱為保磁力(coercive force)。逆向磁場H 持續 增加，使得磁化M 也在反方向增加，最後達到負飽和磁化。假設磁 場換為正向，則磁化延FGC 變化，封閉圈CDEFGC即為磁滯曲線。
圖1-2 鐵磁性體的磁化曲線(H：磁場；M：磁化)
亞鐵磁性體的磁特性與上述鐵磁性體差不多，圖1-3 比較鐵磁 性體、亞鐵磁性體、反強磁性體的磁矩配列。鐵磁性體中，磁矩平行 排列，例如鐵、鈷、鎳及其合金。亞鐵磁性體代表例有鐵氧磁體 (ferrite,MO．Fe2O3)。鐵氧磁體由兩個相貫入的副格子組成，在個別
的副格子內，離子的磁矩平行排列，呈鐵磁性，兩個副格子間的離子 成逆平行。例如在Fe3O4，氧四面體位置的Fe3＋離子磁矩MA 相平行；
在氧八面體位置的Fe2＋＋Fe3＋離子的磁矩MB 也相平行，在兩副格子 間成逆平行，淨值成為MB－MA (=Fe2＋離子份)的亞鐵磁矩。當MB＝ MA時，兩個成逆平行的是反鐵磁性體，Cr2O3 為其中一例。
圖1-3 鐵磁性體，亞鐵磁性體及反強磁性體的離子或原子磁矩
強磁性體（鐵磁性體及亞鐵磁性體）大異於順磁性體之處有 (a) 磁化的大小甚大；(b)磁場與磁化的關係不成線性，在較低磁場飽和；
(c)磁化曲線呈磁滯。磁性材料的特色在導磁係數μ、磁化率κ、殘留磁
會進入超順磁(superparamagnetism)狀態，如圖1-6 所示。超順磁性常 見於強磁性體，反強磁性體超微粒子的集合體，超順磁性在較弱磁場
避免於未加磁場時粒子的聚集，在學術研究中以磁場做導向於生物體 之藥物釋放的研究，廣為被討論。
圖1-5 磁性粒子的磁區構造(3)
圖1-6 粒子大小與保磁力的關係(10)
表 1-2 磁性物質的單磁區臨界直徑與超順磁臨界直徑(3),(10)
Ds：單磁區臨界直徑 Dsp：超順磁臨界直徑
(2)保磁力
奈米尺寸高於超順磁臨界尺寸時，通常會呈現高保磁力Hc。如 圖1-7的例子:研究發現16 nm以上的Fe奈米粒子，其飽和磁化強度 Ms 隨著粒徑的減小而下降，但保磁力卻顯著的增加(11)。如5.5 K時的保 磁力為16*105/(4π) A/m;室溫下的保磁力在 1*106 /(4π) A/m，一般的鐵 金屬塊材通常低於1000 /(4π) A/m。這是因為每一個單磁區的奈米粒
奈米尺寸高於超順磁臨界尺寸時，通常會呈現高保磁力Hc。如 圖1-7的例子:研究發現16 nm以上的Fe奈米粒子，其飽和磁化強度 Ms 隨著粒徑的減小而下降，但保磁力卻顯著的增加(11)。如5.5 K時的保 磁力為16*105/(4π) A/m;室溫下的保磁力在 1*106 /(4π) A/m，一般的鐵 金屬塊材通常低於1000 /(4π) A/m。這是因為每一個單磁區的奈米粒