2-1 奈米材料之物理特性
奈米 (nanometer)是一個長度的單位。1 奈米 = 十億分之 1 米 (10-9 meter)，約為分子或 DNA 的大小，或是頭髮寬度的十萬分之 一。奈米結構的大小約為 1~100 奈米，即介於分子和次微米之間。
在如此小的尺度下，古典理論已不敷使用，量子效應（quantum effect）已成為不可忽視的因素，再加上表面積所佔的比例大增，物 質會呈現迥異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。以無人不愛 的黃金為例，當它被製成金奈米粒子(nanoparticle)時，顏色不再是 金黃色而呈紅色，說明了光學性質因尺度的不同而有所變化。又如 石墨因質地柔軟而被用來製作鉛筆筆芯；但同樣由碳元素構成、結 構相似的碳奈米管，強度竟然遠高於不銹鋼，又具有良好的彈性，
因此成為顯微探針及微電極的絕佳材料。
奈米結構除了尺寸小之外，往往還擁有高表面/體積比、高密度 堆積以及高結構組合彈性的特徵。所謂的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），加以製作、組裝成新的材
大」（bottom up），與半導體產業透過光罩、微影、蝕刻等「由大 縮小」（top down）的製程相當不同。奈米科技涵蓋的領域甚廣，
從基礎科學橫跨至應用科學，包括物理、化學、材料、光電、生物 及醫藥等。例如奈米科技專家利用一種一端呈輪狀的合成酵素來驅 動微型螺旋槳，製造出大小僅十幾奈米的分子馬達，成為分子機械 上的一大突破。又例如 IBM 已成功地採用半導體碳奈米管製成場效 電晶體，並進一步製作出單分子邏輯閘，是為分子電子學上的一大
進展。[1-3]
2-2 奈米材料之應用
奈米材料是近年來不管在基礎學科或高科技產業中相當熱門 的一個課題，就奈米材料領域而言，它包括零維奈米顆粒材料、一 維奈米材料(奈米管、奈米線、奈米棒、奈米帶、奈米纜)、二維奈 米薄膜、奈米多層膜以及由奈米顆粒和奈米纖維構成的三維奈米體 材料。由於材料在奈米尺度下，其物理及化學性質出現許多塊材所 觀察不到的特性，如奈米量子效應、量子限域效應(quantum
confinement)、奈米粒子表面效應…等[4-10]，因此有大量的研究人員 投入此一熱門的領域。另一方面隨著網路數位時代的來臨，電腦的 運算速度必須大量的提昇，但相對地元件的尺寸也以相同的速度縮
小。以目前半導體製程來看，元件的密度及線寬似乎很難有巨大的 突破，因此奈米材料提供一個新的構想來克服傳統製程方法所難以 達到的障礙。大塊金屬具有不同顏色的光澤，這顯示它們對可見光範圍 各種顏色(波長)的反射吸收能力不同。當尺寸減小到奈米量級時，各種 金屬奈米微粒幾乎都呈黑色，它們對可見光的反射率極低，例如鉑奈米 粒子的反射率為1﹪，金奈米粒子的反射率小於 10﹪。這種對可見光低 反射率、強吸收率導致粒子變黑[11-16]。
在光學性質方面，當材料尺寸小至某一程度，也就是粒子小於塊材 的激子半徑(exciton length) ，此時奈米材料會有量子侷限效應(quantum cofienement length) ，量子點(quantum dots)會向原子與分子一樣具有不 連續的能階，且變化粒子大小時，能隙(energy gap)也會因粒子大小不同 而不同。經科學家理論計算，量子點(quantum dots)、量子線(quantum wires)、量子井(quantum well)、塊材(bulk materials) ，它們的能階密度 (density state)上均不相同，這代表了它們在光學性質上亦有不尋常的異 常。另外由於奈米粒徑小於一般紫外光、可見光或紅外光波長，所以造 成粒子對光的反射及散射能力大減。例如當黃金被細分到小於光波長的 尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超 微顆粒狀態都呈現微黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑(白金)變 成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑[18-21]。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率
很低，通常可低於 1%，大約幾微米的厚度就能完全消失。利用這個特 性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉 為熱能、電能。此外，又有可能應用於紅外線敏感元件、紅外隱身技術 等。
在熱性質方面，固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，
超微細化後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒尺寸小於 10nm 時尤為顯 著。例如，金的標準熔點(Normal Melting Point)為 1064℃，當顆粒尺寸 減小到10nm 時，則熔點為 327℃，當尺寸減小到 2nm 時的熔點僅為 27℃
左右；銀的標準熔點為963℃，而超微顆粒的熔點可低於 100℃。因此，
超細銀粉製成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時元件的基片不必採用 耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑膠。採用超細銀粉漿料，可使膜厚均勻，
覆蓋面積大，既省材料又具高質量。日本川旗製鐵公司採用 0.1~1µm 的 銅、鎳超微顆粒製成導電漿料可以代替鈀與銀等貴金屬。例如，在鎢顆 粒中附加0.1%~0.5%重量比的超微鎳顆粒後，可使燒結溫度從 3000℃降 低到 1200℃~1300℃，以致可在較低的溫度下燒製成大功率半導體管的 基片。
在催化性質方面，由於奈米粒子體積非常小，材料表面原子與整體 材料原子的個數比例值就非常顯著，而固體表面原子的熱穩定性與化學 穩定性都要比內部原子要差得多，所以表面原子的多寡代表了催化的活
性，即大表面是一種好觸媒可以提升CO + H2反應催化能力[22-28]。 在磁性性質方面，人們發現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等以及生活在 水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場 導航下能辨別方向，具有回歸的本領。磁性超微顆粒實質上是一個生物 磁羅盤，生活在水中的趨磁細菌依靠它游向蘊藏豐富資源的水底。通過 電子顯微鏡的研究說明，在趨磁細菌體內通常含有直徑約為 2×10-2µm 的 磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材有顯著的不同，大塊 材的純鐵矯頑力約為 80A/m，當顆粒尺寸減小到 2×10-2µm 以下時，其 矯頑力可增加 1 千倍，若進一步減小其尺寸，大約小到 6×10-2µm 時，
其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯 頑力的特性，已做成高儲存密度的磁性紀錄磁粉，大量應用於磁帶、磁 盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性人們已將磁性超微顆粒製成用 途廣泛的磁性液體。
在力學性質方面，陶瓷材料在正常情況下呈脆性，然而由奈米超微 顆粒製成的奈米陶瓷材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂 的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此會表現甚佳的韌性與一 定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。美國學者報導氟化鈣奈 米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以 具有很有高的強度，是因為它是由磷酸鈣等奈米材料構成的。呈奈米晶
粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3~5 倍。至於金屬與陶瓷等複合奈米 材料則可在更大的範圍內改變材料的力學性質，其應用前景十分寬廣。
球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正 比，故其比表面積（表面積／體積）與其直徑成反比。隨著顆粒直徑變 小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所佔的百分比將顯著地增 加。對直徑大於 0.1µm 的顆粒表面效應可忽略不計，當尺寸小於 0.1µm 時，其表面原子百分比激劇增加，甚至 1 克奈米顆粒表面積的總和可高 達 100m²，這時的表面效應將不容忽略如奈米感測器乃是利用總表面積 增加，使訊號敏感性增強，且粒徑變小導致孔徑變小使訊號傳遞迅速不 受干擾，大大增加雜訊比。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不 同的，若用高倍率電子顯微鏡對金屬超微顆粒（直徑為 2×10-3µm）進行 掃描攝像，實際觀察發現這些顆粒沒有固定的形態，隨著時間的變化會 自動形成各種形狀（如立方八面體、十面體、二十面體等），它既不同 於一般固體，又不同於液體，是一種準固體(quasi solid)[28-32]。在電子顯 微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了沸騰狀態，尺寸大於 10µm 後才看不到這種顆粒結構的不穩定性，這時微顆粒具有穩定的結構狀 態。超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而 燃燒。如要防止自燃，可採用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其 緩慢氧化而生成一極薄而密的氧化層，來確保表面穩定化。利用表面活
性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑成為儲氣材料以及低熔 點材料。
2-3 金屬的鈍化與陽極處理
鈍化或稱為過動態是一種金屬特殊的現象，它產生的現象是使 得原先易受腐蝕的陽極金屬反而受到保護。有些金屬在特定的環境 下，會有活性的轉變，也就是原先活性很強的金屬，腐蝕速率應隨 電極電位而增加，但是當陽極極化電位到達某一定電位時，腐蝕速 率反而急遽下降，形成鈍化的現象，這種鈍化的現象可以使得原先 容易受腐蝕的金屬(例如：鐵)，甚至在強酸中(例如：硝酸)也不會受 到腐蝕。在活化-鈍化轉移的過程中，產生變化的臨界點電位稱為鈍 化電位，此時金屬會產生一層 3nm 的鈍化膜，保護內部金屬不致遭 受腐蝕。在工程應用上，鈍化可以在一定的控制下達到防止腐蝕的 效果。容易產生鈍化現象的金屬有：鐵、鎳、鉻、鈦。在金屬活化 區 中 ， 它 的 極 化 現 象 與 一 般 非 鈍 化 金 屬 相 似 ， 當 電 極 間 電 位 增 加 時，電流密度及腐蝕速率會隨著增加，可是當電位達到臨界電位，
鈍化或稱為過動態是一種金屬特殊的現象，它產生的現象是使 得原先易受腐蝕的陽極金屬反而受到保護。有些金屬在特定的環境 下，會有活性的轉變，也就是原先活性很強的金屬，腐蝕速率應隨 電極電位而增加，但是當陽極極化電位到達某一定電位時，腐蝕速 率反而急遽下降，形成鈍化的現象，這種鈍化的現象可以使得原先 容易受腐蝕的金屬(例如：鐵)，甚至在強酸中(例如：硝酸)也不會受 到腐蝕。在活化-鈍化轉移的過程中，產生變化的臨界點電位稱為鈍 化電位，此時金屬會產生一層 3nm 的鈍化膜，保護內部金屬不致遭 受腐蝕。在工程應用上，鈍化可以在一定的控制下達到防止腐蝕的 效果。容易產生鈍化現象的金屬有：鐵、鎳、鉻、鈦。在金屬活化 區 中 ， 它 的 極 化 現 象 與 一 般 非 鈍 化 金 屬 相 似 ， 當 電 極 間 電 位 增 加 時，電流密度及腐蝕速率會隨著增加，可是當電位達到臨界電位，