奈米材料之簡介

由於近年來高科技產業對微小化材料之需求日漸增加，使得奈米材料 之發展成為全球高科技國家之重點項目，舉凡光、電、磁

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、機械、催化

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等領域都需要材料之奈米化以得到更大的提升。所謂的奈米(Nanometer)，

所表示的為億分之一米，為介於原子、分子與巨觀尺度之間，一般定義為 直徑小於 100nm 的粒子。而所謂的奈米科技，就是將各式元件之基本構造 縮小至奈米的程度。事實上，奈米不過是一很小的尺寸單位，為何會受到 大家如此之重視呢？其主要原因是由於當物質小於奈米尺度時，相對於塊 材而言，由於量子效應、物質之局限性以及巨大的表面和界面效應，可使 得其物理特性及化學特性產生奇特之變化。包括高延展性、高硬度、低熔 點以及不同於塊材之導熱性、導電性、催化性

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、磁性及光學性質

^[49,50]

等 都會產生質的變化

^[51,52]

。而奈米技術即利用這些特性，廣泛的應用於光電

[53,54]

、資訊、生醫

^[55~58]

等產業上。

奈米材料可以簡單的由其外觀的幾何結構分為下列三種，如 Fig. 1.11 所示：

一、零維(zero-dimensional)的奈米結構：

零 維 的 奈 米 結 構 稱 為 奈 米 粒 子(nanoparticles) 或 是 量 子 點 (quantum dots)，其結構是在三維空間中之 X 軸、Y 軸與 Z 軸均極微小(小於 100nm)，

如Fig. 1.11 (a) 所示。

二、一維(one-dimensional)的奈米結構：

一維的奈米結構若縱深比(aspect ratio)較大者稱為奈米線(nanowires)，

較小者稱為奈米棒(nanorods)，其結構是在三維空間中的 X 軸可以無限延 伸，但是Y 軸與 Z 軸均極微小(小於 100nm)，如 Fig. 1.11 (b) 所示。

三、二維(two-dimensional)的奈米結構：

二維的奈米結構稱為奈米薄膜(nanofilm)或量子井(quantum well)，其結 構是在三維空間中的 X 軸與 Y 軸可以無限延伸，但是 Z 軸極微小(小於 100nm)，如 Fig. 1.11 (c) 所示。

(a) (b) (c)

Fig. 1.11 材料的維度(dimension)：(a)零維、(b)一維、(c)二維奈米材料

而奈米材料所表現出之特性最主要有以下兩種，

一、量子局限效應(Quantum confinement effect)

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材料的物理性質大部分是由電子與電洞所決定，例如Debye長度用來描 述材料中電子與電子之間作用力的長度、de Broglie波長用來定義材料的粒 子性質與波動性質

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，由於傳統三維空間的塊材(bulk)尺寸遠大於上述這些 電子與電洞的物理特徵長度，因此其物理性質可以使用古典物理來解釋，

但是當材料的尺寸小到100nm 以下時，與這些特徵長度相近，因此會產生 許多特別的現象。當材料的尺寸小於電子或電洞的波包尺寸時會產生量子 局限效應，此時電子與電洞被局限在奈米材料內形成自組的穩定態，如Fig.

1.12 所示

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，圖中電子的波函數受到奈米晶粒內與晶粒外的能階影響，使

得電子被局限在奈米晶粒之內，在這樣的情況下，傳統三維空間的塊材中 連續的能帶消失，而產生離散的能階

^[62]

，如Fig. 1.13所示，圖中可以看出半 導體塊材的價電帶與導電帶是連續的能帶，而奈米晶粒則會形成離散的能 階，這種現象會造成發光性質的改變

^[51]

。以半導體粒子中所表現出之量子 局 限 現 象 為 例 ， 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，會自發性的將能量釋放而回到價 帶。相對地，若有不同大小的CdSe奈米粒子經由同樣的激發光源照光時，

由於量子侷限效應，他們有著不同的能隙，所以減少粒子的粒徑會放出較 短波長的光並會有藍位移的現象

^[62~65]

。

Fig. 1.12 電子與電洞在奈米材料內形成自組的穩定態

Fig. 1.13 金屬與半導體之塊材及奈米材料的能帶結構圖

二、表面與界面效應(Surface and interface 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 面原子的比例如Table 1.1所示

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，其計算方式如下：

S ＝ 4p．r o 2

．n

^2/3

，其中r

o

為其組成單元原子的半徑，S 代表奈米粒子的 表面積 (nm)。

表面原子數可以表示為ns

＝ 4n ^2/3

表面原子數占總原子數的比例（K）為K ＝ 4/n

^1/3

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(%)

由此可見，當粒子直徑由10 nm 到5 nm 時，表面的原子數比例從20%

提高到40%；到1 nm 時，表面原子數比例更是提高到99%。因此，當顆粒 的直徑減少時，會引起他的表面原子數、表面積和表面活性的大幅增加。

同時，表面原子具有高的表面能，且不穩定，他很容易與外來的原子吸附 鍵結，形成穩定的結構。因此，表面原子與內部原子相比，具有更大的化 學活性和提供大面積的表面活性原子。對外界環境如溫度、光、濕度、氣 體等十分敏感，對於環境些微的改變，能迅速引起材料表面離子的價電子 態和電子傳輸明顯的變化。例如光的吸收明顯增加使得金奈米粒子呈現黑 色，二氧化鈦奈米粒子(光觸媒)的表面光化學反應分解有機物質

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等。

在文檔中 奈米結構增強之有機電激發光二極體材料及元件研究 (頁 37-41)