奈米結構材料(nanostructured material)一般泛指粒徑大小介於1至 100奈米之間的超微小粒子，大約由數個到數十萬個的原子所成，其粒 子尺寸與分子大小相近，涵蓋的範圍包括金屬、非金屬、半導體、陶瓷 材料、高分子材料、磁性材料… 等，但所擁有的物理、化學性質有別 於一般的巨觀材料範疇，例如較低的熔點(18、19、20)、較高的延展性、硬度
(21)、特殊的導電(22)、導熱(23)、光學性質(24、25)，也有部分實際上的應用效
能於催化(26、27)、表面增強拉曼散射(28、29)(SERS，surface enhance raman
scattering)。由於人類對微小化材料的迫切需求，已由原來的微米(10-6 m) 範圍進入了奈米(10-9m)範圍的時代，美國時代周刊評語指出:『奈米技
料，0D)、柱狀或線狀(代表一維材料，1D)與層狀(為二維材料，2D)(圖 1-1)，以一維奈米材料為例，即表示於三維空間當中有一個維度的長度 超過量子侷限範圍。
當材料尺寸縮小到奈米維度時，古典理論已不敷使用，量子效應 成為不可忽視的因素，再加上表面積以及電子結構的改變，在磁、光、
電的特性上皆會與塊材有所異同(29、30)，形成的原因包括有：表面效 應(surface effect)、量子侷限效應(quantum confinement effect)、尺寸效 應(size tunable effect)等。
1-3 表面效應 (surface area effect)
隨著顆粒直徑的減少，比表面積將會顯著的增大，表面原子佔總 原子數的百分比也將迅速增加。假如以球形的奈米粒子為例，若是其 半徑為r，所含的原子總數為n，那麼不同大小的一個球形金粒子裡 頭的總原子數與表面原子的比例將分別如Table 1.1 所列及圖1-2 所 示，其中的計算方式如下：
． S ＝ 4p．ro2．n2/3，其中ro為其組成單元原子的半徑，S代表奈 米粒子的表面積
． 表面原子數可以表示為ns ＝ 4n2/3
． 表面原子數占總原子數的比例(K)為K ＝ 4/n1/3
Table 1.1 奈米粒子中所含的原子數以及表面原子所佔的比例
1-4 量子侷限效應(quantum confinement effect)
當粒子尺寸大小小於塊材的激發波長(exciton length)，粒子的光學 與能階性質會接近分子的性質。由於奈米粒子的體積較小，相對 地組成的原子數也較少，因此造成原子外圍的價電子間能隙(band gap)會有量子侷限量化的效應(18-20)，也就是產生不連續能帶的現象(21)
並不同於巨觀世界為連續的狀況。我們如果以半導體粒子的量子侷限 現象來說明的話：半導體材料可以分為元素半導體以及化合物半導體 (compound semiconductor)，元素半導體主要以我們熟知的矽與鍺為 主；化合物半導體有兩種主要的形式：III V 族半導體，如: GaN、GaAs、
lnP 和II VI 族半導體，如: CdSe、CdTe。研究發現當半導體粒子的粒 徑減少時，價帶與傳導帶之間的能隙(energy gap)會跟著增加。當CdSe 奈米粒子的價電子經由照光的方式激發到傳導帶之後，會自發性的將能
出量子穿遂效應與超順磁現象，例如：粒徑20-30 nm的鐵、鈷、鎳合 金，就有非常強烈的磁性及很高的磁記憶密度。
1-5-2 熔點
奈米粒子因為有高比例的原子暴露於表面，表面處於不安定的狀 態，使得表面晶格震動的振幅較大，所以有較高的表面能量，使得表 面擴散(surface diffusion)速度增加，連帶降低 Tamman 溫度，也就是造 成熔點下降的原因，同時奈米粉也比傳統粉末在較低的溫度下燒結。如
粒出現大量剩餘的懸鍵具有不飽和的性質，讓它具備了作為催化劑的 兩類。物理方法包括汽化法(23)(thermal evaporation)、蝕刻法(24、25)
(lithography)、濺鍍法(24)(sputtering)、雷射侵蝕法(25、26)(laser ablation)等。
而汽化法可以說是最常使用的的一種方法，一般用在金屬材料上使其經
1-7 金奈米棒的簡介
(porous alumina membranes)、多孔性碳膜(porous carbonate membranes)或蝕刻溝槽(49) (lithographically-processed masks)等 皆屬於硬式模板，之後再利用電化學沉積或氣相沉積合成出圓柱形粒
就是發生『共振效應』。如圖1-3所示。 振」(surface plasma resonance)；而此一造成表面電漿共振所吸收的特定 頻率波帶，是會隨著金屬的種類、粒子的尺寸大小及形狀與粒子存在於
﹙長軸的 depoplarization factor﹚
Pt
= (4π－P
l) / 2﹙短軸的 depoplarization factor﹚
1/leff = 1/L + 1/lbulk ωd = vF / leff
2 2
金奈米棒樣品在技術上來說有所瓶頸的存在，所以此理論預測與實際結 (familiar hypercholesterolemia)、鐮刀形細胞貧血症(sickle cell
disease)、囊狀纖維症(cystic fibrosis)、亨丁頓氏舞蹈症(Huntington’s chorea)、癌症等之發生，皆與DNA 中鹼基序列及配對有密切關係，因 此配合聚合鏈反應方法39(polymerase chain reaction, PCR)將DNA的量放 大做檢測已成為診斷遺傳及某些疾病之根據。近十年來奈米材料科技蓬 勃發展，許多奈米材料都已經開發出來，當然包括金屬奈米材料，而其 中的金奈米粒子因為具有明顯的光學、化學及催化等性質，所以早就已 經商業化，最常為人道的例子便是在免疫快速分析（如驗孕片）之相關 產業。另外，一些以金奈米粒子為標示劑，與單股寡核酸(oligonucleotides) 形成接合物conjugates當做DNA 探針的研究(40、41,42,43,44,45,46、47)
，在最近幾 年有相當豐碩的成果展現。其中包括許多不同探針的型式(40,41,42)、利用 不同粒徑的金奈米粒子同時檢測兩種DNA 序列。
1-11 研究動機
由於金奈米棒具有獨特的光學、物理、化學性質，其長軸表面電漿
共振吸收波長會隨著金奈米棒的長寬比越大而紅位移。所以對於合成出 的金奈米棒是否能達成控制想要的長寬比乃是合成技術上的一大挑戰 與目標。我們在水溶液中，利用晶種成長法，藉由三種不同的合成方法，
分別是(1)單種界面活性劑(single surfactant)(2)兩種界面活性劑(binary surfactant)、(3)連續三步(continuous three-steps)晶種成長法，成功地在 水溶液中合成出不同長寬比和不同長軸表面電漿共振吸收波長的金奈 米棒。
再利用UV-visible spectrum(紫外光-可見光吸收光譜)、XRD(X-ray 繞射解析光譜儀)、TEM(穿透式電子顯微鏡)、HRTEM(高解析穿透式 電子顯微鏡)、SEM(掃描式電子顯微鏡)鑑定所合成出來的金奈米棒。
發現我們可以成功做出其長軸表面電漿共振吸收波長介於672~1200 nm 的金奈米棒，以及一些其他性質會在文中討論。