第二章 文獻回顧
2.1 奈米材料的簡介
隨著現今科技越來越發達，奈米科技已不再是一個口號，不只影 響當紅的光電與能源產業，連被視為明日之星的生物醫療與所謂的傳 統產業也受到很大的衝擊，幾乎人類生活上的食衣住行等方面無不與 奈米科技息息相關。
奈米科技的研究領域相當廣泛，其中以奈米材料最受矚目，主要 是針對尺度在1 到 100 nm 材料的製造與新材料性質進行研究。當材料 尺寸縮小到奈米等級，量子理論上不完全可以解釋材料奈米化所引起 的諸多現象，例如：表面效應(Surface effect) [Jalochowski-1988-5272]、量子侷
限效應(Quantum confinement effect) [Alivisatos-1996-13226]、量子穿隧效應 (Quantum tunneling effect) [Caldeira-1981-211]等。表面效應是因奈米材料的表 面與內部原子的比例急遽增加，造成表面積與表面能大幅提高，使材 料具備高活性。量子侷限效應是指材料趨向奈米尺寸，其原子數下降，
能階密度下降，使能隙間距增加而呈現不連續的能階狀態，讓材料展 現絕緣性。量子穿隧效應是當材料奈米化，奈米粒子具有穿過能障的 能力。由於上述的幾種現象，導致材料無論在光、電、磁、熱、聲、
奈米材料在尺度上可主要分成：(1)零維，指空間中三個方向都受 奈米尺寸的限制，如量子點[van der Wiel-2003-1]、奈米顆粒等；(2)一維，指 三維中有兩個方位是受限於奈米範圍，如奈米線、奈米針、奈米管等；
(3)二維，指只有一個維度是奈米化，如薄膜等。
零維奈米材料主要是以量子點為代表，因為電子容易被量子點所 侷限，如同電子身陷於洞中不得而出。其實它也有所謂的穿隧效應，
當電子得到足夠能量，旁邊有量子點獲其他接納處，電子可跳出而躍 入緊鄰的量子點或其他去處，具有有體積小、效率高且無需導線的優 點 ， 目 前 在 應 用 上 有 量 子 場 效 電 晶 體 製 造 的 單 一 光 偵 測 器
[Shield-2000-3673]、量子點雷射[Tachibana-1999-2605]及未來量子點自旋效應應用的
記憶元件[Ohno-1999-790]等，如Fig. 2-1、2-2、2-3 所示。
一維奈米材料，由於可應用於電子或光電元件的主動部分和內連 線，使光電元件可得到更好的效果，而受到廣泛研究。一維奈米材料 中又以寬能隙(Band gap)半導體材料(例如：氧化鋅等)在光學與電學上 優異的表現，如Table 2-1 所示，更是成為關鍵的議題。一維結構的氧 化鋅比傳統二維氧化鋅薄膜結構擁有更多發光表面[Pauzauskie-2006-36]，如 Fig. 2-4 所示，可提高電激發光的效率。在陰極發光元件的部分，使用 高深寬比的一維氧化鋅奈米結構，比二維的氧化鋅薄膜結構更能有效
利用電場[Dong-2003-1906]。另外，一維的單晶氧化鋅奈米線也被用於取代多
晶的多孔結構，作為色素增感太陽能電池的陽極部分[Law-2005-455]，如Fig.
2-5 所示，藉由一維氧化鋅單晶奈米線來改善電子在陽極內的傳輸效 果，增加光電轉換效率。
Fig. 2-1 Schematic diagram of quantum dot field-effect transistors (FET) structure.
[Shield-2000-3673]
Fig. 2-2 Schematic diagram of 10-stacked In0.2Ga0.8N quantum dot laser.
[Tachibana-1999-2605]
Fig. 2-3 Schematic diagram of electrical spin injection in an epitaxially grown ferromagnetic semiconductor heterostructure, based on GaAs. [Ohno-1999-790]
Fig. 2-4 Schematic diagram of GaN and ZnO’s hexagonal wurtzite crystal structure.
[Dong-2003-1906]
e
Fig. 2-5 Schematic diagram of the dye-sensitized solar cell. [Law-2005-455]
Table 2-1Nanowires and their optical functionalities [Pauzauskie-2006-36].
Nanowires Optical functions Characteristics GaN Nanolaser
Light-emitting diode
Emission wavelength: 370-390 nm Threshold: ~500 nj/cm2
Cavity Q factor: 500-1000 Threshold gain: 400-1000 cm-1
Emission wavelength: 380-420 nm ZnO Nanolaser
Frequency converter
Solar cell
Photodetector
Emission wavelength: 370-400 nm Threshold: >70 nj/cm2
Cavity Q factor: 1000-1500 Threshold gain: 1000-3000 cm-1
Effective second-order susceptibility: 5.5 pm/V
Energy converting energy: 3.5%
UV light detector
SnO2 Waveguide Propagation loss: 1-8dB mm-1