淺探奈米科技
熱心校友提供(96.6 畢)壹
壹
壹
壹●前言
前言
前言
前言
最先提出人類有可能在奈米層級做各種應用的，是一九六五年諾貝爾物理獎得 主費曼，一九五九年物理學家費曼提出「將大英百全書的內容縮在一個針尖上」的 構想，也就是可以將一間圖書館豐富的藏書，用極小的空間來存放，向這種輕、薄、 小的概念，就是「奈米科技」發展的原動力。 近年來「奈米科技」迅速進步，現在已經成為相當熱門的話題，「奈米」大約 只有頭髮直徑的十萬分之一，但無論他使得生活更加便利、醫療儀器的改變、發名 更迷你輕巧的產品帶來更多的商機，奈米科技更讓現代科技到達另一個高峰，現在 世界各國積極的投入這項發明，投入相當多的人力和金錢來開發研究。這次我們要 探討即是「奈米科技」。貳
貳
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貳●正文
正文
正文
正文
1.何謂奈米
何謂奈米
何謂奈米
何謂奈米?
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，物質會呈現迴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、組裝成新的材料、元件或系統。因此，在製程的觀念上，奈米科技屬於「由小 作大」（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。 在產業方面，奈米科技已經被公認為 21 世紀最重要的產業之一。從民生消費性 產業到尖端的高科技領域，都能找到與奈米科技相關的應用。例如有名的「蓮花效 應」（lotus effect）是指荷葉由於表面的奈米結構，因而具有抗水防塵的自潔功能， 這就是「蓮花出淤泥而不染」的原因。這個特性能用來改善高科技的戰機雷達天線 罩，也可以運用來生產自潔玻璃及奈米馬桶等民生用品。另外，像蜜蜂體內存在著 磁性的奈米粒子，這些粒子具有羅盤的作用，這就是蜜蜂飛行的導航系統了。 總之，人類文明在歷經前兩個世紀的機械、電子乃至於資訊科技所帶來的工業 革命，第四次工業革命的腳步儼然已隨著奈米科技的興起而到來，且由於其涵蓋領 域甚廣，潛在的影響範圍遠超過半導體資訊產業，因此目前世界各國無不競相投注 大量的人力與資金進行相關的研究開發。
2.奈米科技運用簡述
奈米科技運用簡述
奈米科技運用簡述
奈米科技運用簡述
A.光電技術
光電技術
光電技術：
光電技術
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全新的奈米電子學，可以研發更小更快更冷的單電子電晶體、單電子儲存器、單 電子開關、奈米晶片等，製成奈米電腦或量子電腦，例如：半導體產業不但在晶 圓的尺寸上比「大」，同時，也在導線上比「小」，半導體產業紛紛投入大量人 力物力開發奈米製程，開發奈米碳管的生產與應用研究。B.醫學醫藥
醫學醫藥
醫學醫藥
醫學醫藥：
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植入物將用高性能且能自我修復的生物相容性漸變材料；醫用微型機器人可進入 人體進行微型手術、清除血管壁上的脂肪、直接攻擊癌症或腫瘤細胞…等，更可 在人體內長期駐守進行診療任務、監控體內生化狀況，利用血糖和血氧作為能量 來源等。C.農業科技
農業科技
農業科技：
農業科技
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在農田上空與地上大量散布微型機器人，用來監控水文而自動控制灌溉系統、直 接咬死蟲害、除草施肥等。D.航太科技
航太科技
航太科技：
航太科技
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質輕、高強度、熱穩定的新型航太奈米材料；添加奈米顆粒增加火箭燃料的燃燒 效率；利用微型機器人檢查修復太空船遮熱罩、幫飛機機翼除冰，或部屬在星球 上，進入人類無法到達的區域觀察環境等。E.能源科技
能源科技
能源科技
能源科技：
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利用奈米碳管貯存氫氣，做高效能燃料電池；高效能低成本的新型太陽能電池； 更節約能量的照明技術；更堅固質輕且輸送效率高的新型能源輸送裝置；以及各 種電能與化學能的高效率新型能源貯存裝置等。F.軍事科技
軍事科技
軍事科技
軍事科技：
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隱形戰機表面的吸波匿蹤材料、高性能且多功能的奈米材質軍服微小隱密具生存 能力的奈米導彈、可攜帶各種測量儀器的奈米偵察機、比螞蟻小卻破壞力驚人的 軍用奈米機器人、形如小草或砂粒的超微型電子偵測儀器做成的軍用奈米感測 器、隨風飄浮在空氣中而散布到敵方上空的奈米探測器、幾個分子大小的奈米炸 彈、奈米基因武器等。G.民生應用
民生應用
民生應用：
民生應用
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具有良好防紫外線功能的防曬油和化妝品；具有持久防電磁輻射功能、防靜電現 象、可保暖同時具有抑菌與殺菌功能、完全防水防油污等功能的超級衣料；低熔 點、易施工、穩定耐用的奈米防鏽塗料；由新型感應器組成的監視系統；具有自 淨功能的玻璃、陶瓷和磁磚；利用微型機器人清潔維修建築物本體或家電用品內 部電路，或夜間巡邏商店等。由數萬億個奈米機器人所組成的隱形生產線，可協 力完成汽車組裝、環境清污、清理居家環境等。3.奈米碳管簡介
奈米碳管簡介
奈米碳管簡介
奈米碳管簡介
早在 1985 年 Kroto 等人即意外發現 C60 的存在而提出了足球模型（1），此發現對 碳化合物的研究有著重大突破，但當時對於 C60 的特性及其應用發展並不清楚。直 到 1991 年 Iijima（2）提出奈米碳管的概念後，才促使相關單位朝此領域進行積極 的研究與開發。奈米碳管不論在物性、化性或材料特性上均有著顯著非凡的表現， 例如：在電性上，不同管徑及形態的奈米碳管可具有金屬導體或半導體的特性，且 奈米碳管具有極佳的機械性質與良好的氣體儲存特性。由於奈米碳管具有多重的特 殊性質因此成為 21 世紀的關鍵材料之一。 起源 起源 起源 起源 含有碳元素的化合物幾乎是自然界中所有化合物總和之最，早在 1970 年末期， 化學家即對製備碳團簇產生了濃厚的興趣，至今大約有五百萬種的含碳化合物被合 成與鑑定出來。 碳是元素週期表 IV 族中最輕的元素，共有四個電子可供與其他元素進行鍵結， 相較於其同族其他元素有其獨特的性質，固態碳元素在結構方面會因鍵結方式與構 造型態的不同而形成同素異形體（allotrope），含碳元素的同素異形體基本上可分 為三種不同的型態：（1）石墨；（2）鑽石；（3）C60。其中，石墨是碳原子以 sp2 的共價鍵鍵結而成的二維層狀結構的半金屬，層與層間約距 0.3354nm；鑽石則是碳 原子以 sp3 的鍵結形式構成的三維立體結構的材料；C60 則為二十個六圓環與十二 個五圓環以 sp2 的鍵結形式所組合而成似足球的結構。早在 1940 年代，電氣爐邊 就曾被發現有直徑達數奈米長度為數微米具管狀結構的碳細絲存在，但其數量非常 之少，可惜當時並沒有被重視。直至 1991 年日本 NEC 資深研究員 Sumio. Iijima 以 電弧放電法製備 C60 時偶然發現碳管的存在 當 1991 年 Iijima 在寫給自然雜誌（Nature）報告中宣佈成功合成出一種新的碳 結構-奈米碳管時，引起當時研究單位的密切注意，紛紛將研究重心轉移到奈米碳管 上。當理論推測與奈米碳管特性逐步吻合的同時，也為其往後的發展路徑帶來了無 限的創造性。 奈米碳管結構 奈米碳管結構 奈米碳管結構 奈米碳管結構 奈米碳管是一具有奈米級直徑與長寬高比的石墨管。碳管內徑可從 0.4nm ~數 十 nm，碳管外徑則由 1nm~數百 nm，長度則由數微米至數十微米間，可由單層或 多層的石墨層捲曲形成中空管柱狀結構，如圖二所示。所形成的中空管柱狀結構主 要可分為單層（Single-Wall）碳管與多層（Multi-Wall）碳管兩類因不同捲曲方式所造成的碳管螺旋性，會使管壁上的六圓環有不同的扭曲程度，而 造成六圓環上未飽和雙鍵間電子傳導的阻力，因此不同的螺旋性造成了奈米碳管間 導電性質的差異；全由碳原子所組成的奈米碳管只因結晶結構細微的差異便有導體 與半導體之不同，因此也隸屬奈米半導體材料的研究範疇而成為炙手可熱的半導體 研究題材
1.電弧放電法
電弧放電法
電弧放電法
電弧放電法（
（
（
（Arc-discharge）
）
）
）
電弧放電法是 Iijima 在合成 C60 時無意中發現碳管所使用的合成方法，亦是最 早被使用來合成奈米碳管的製程方法 此方法主要的基本原理是在陽極碳棒中心添加金屬催化劑（如鐵、鈷、鎳…） 後，將整個系統進行抽真空後再通入惰性氣體，接著導入 15~30V 的驅動電壓及 50~130A 的電流，然後將陽極等速緩慢靠近陰極，當兩電極距離足夠小時（約 1mm），會於兩極間會產生一高溫（約 4,000K）的電弧，同時將陽極的碳與催化金 屬進行高溫氣化並沉積在陰極石墨棒表面，此時所得的陰極沉積物即有碳管的存 在。此研究必須特別注意的是：兩電極距離必須保持一定的適當距離才易生成奈米 碳管，否則將會生成大量的奈米碳粒（Carbon Nanoparticles）。由電弧放電法所得 到的碳管管徑約在 4~30nm 間長度約 1µm 左右，大多為單層的奈米碳管。欲利用電 弧法合成多層奈米碳管，則不需在陽極石墨棒中添加金屬催化劑即可。以電弧法合 成奈米碳管的操作所需注意的變數主要有反應時的環境、電極材料、電壓大小與電 極距離等。2.雷射氣化法
雷射氣化法
雷射氣化法
雷射氣化法（
（
（
（Laser ablation method）
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）
）
這個製程方法最早是用來合成 C60，由 Rice 大學 R. E. Smalley 實驗室所發展 （11）。其主要裝置如圖九所示。研究製作原理與電弧放電法相似，乃是將石墨靶 材置於高溫反應爐中的石英管內（約 1,200℃）在氬氣環境下，將高能雷射聚焦後打 在石墨靶材上，使石墨靶材表面上的碳氣化，藉由流動的惰性氣體將其帶到高溫爐 外水冷銅收集器上。 這個方法可以得到較電弧放電法高的奈米碳管產率，所獲得的奈米碳管直徑約 5~20nm，長度可以達到 10nm 以上的單層奈米碳管。根據 R.E Smalley 實驗室研究 得知，當使用 Co/Ni、Co/Pt 等混合金屬當作催化劑效果最好，可有效提高產率。而 影響整個製程的重要因素為溫度。
化學氣相沉積法（CVD）是目前製備單層奈米碳管最有效率的方法，此法可應 用於大表面積的生產或擁有多種產物型態的特質。而此法最早是被用來製作碳纖 維。反應主要原理乃是將 CH4、C2H2、C2H4、C6H6 等碳氫化合物的氣體，通入 高溫的石英管爐中反應（約 1,000～1,200℃），碳氫化合物的氣體會因高溫而催化 分解成碳，吸附在基板催化劑表面而進行沉積成長。由化學氣相沉積法所得到的碳 管直徑約 25~130nm 不等，長度 10~60nm 以上。此製程方法改善了電弧放電法中碳 管太短、低產率、低純度及高製作成本等缺點。
4.太陽能法
太陽能法
太陽能法
太陽能法（
（
（
（Solar energy method）
）
）
）
1993 年，法國利用太陽能反應爐，於氦氣環境下氣化石墨來製造碳簇。其原理 與雷射氣化法相，主要差別在於石墨靶材上的聚焦來源，是由太陽能取代高能量雷 射來聚焦。最佳碳管的成長溫度約在 3,000K 屬高溫製程。此製程所得的奈米碳管直 徑約在 1nm~20nm 左右，長度目前文獻尚無明確的記載。所得到的產物，含有大量 的煤灰、C60、非結晶形的碳與碳微粒，且產率相當低。
5.微波輔助化學氣相沉積法
微波輔助化學氣相沉積法
微波輔助化學氣相沉積法（
微波輔助化學氣相沉積法
（
（
（MPE-CVD Method）
）
）
）
這種製程方法是近年來所發展的新製程，可控制碳管的成長方向且縮短了成長 的時間，做法是先將金屬催化劑（Co、Ni…等）鍍在晶片上，厚度約在 2~60nm 間， 再將其放入微波輔助 CVD 裝置中成長奈米碳管，所採用的氣體為甲烷與氫氣的混 合氣體或乙炔與氨氣的混合氣體，反應溫度大約在 720~850℃間。氣體流量與催化 劑層的厚薄直接影響到碳管的生長，如當催化劑層愈薄時金屬粒徑愈小，所生長得 碳管則愈長 奈米碳管元件與應用 奈米碳管元件與應用 奈米碳管元件與應用 奈米碳管元件與應用（（（21、（ 、、22、、 、、23、、 、、24）、 ））） 由於奈米碳管有許多新的性質，如質量輕、高強度、高韌性、可撓曲性、高表 面積、高熱傳導性、導電度特異等，因此衍生了許多新的應用。奈米碳管亦可應用 於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試做階段。Sumio. Iijima 預估，2005~2010 年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。此外，奈米碳管也可作為 飛機、太空梭的新複合材料，拿來製造氫汽車燃料電池等，可說是種蘊藏無限可能 的夢幻材料。繼矽取代鐵之後，奈米碳管有可能取代矽，成為尖端產業的骨幹材料。 CNI 預估，奈米碳管市場大餅每年可達 1,000 億美元。如果價格降到每公克 33 美元， 而且年產量可達 1 噸，將可供應產值達數十億美元的電腦及電視顯示器。如果價格 降到每公克 22 美元，則更多產業都能運用，例如可做雷達無法偵測的隱形飛機的機 殼。如果降到 4.4 美元，則可運用於一般日常生活用品，例如作手機、筆記型電腦、 PDA 的材料，可以防電磁干擾。美國最大創投雜誌《Red Herring》預估，要實現這樣的美夢，看來還要花好幾年時間。到 2003 年，奈米碳管價格才可能降到每公克 5 美元。此外，量產技術也有待克服，目前能「量產」的 CNI 每日也只能製造 25 公 克，年營業額達 400 萬美元。以下就奈米碳管的應用做一簡單的介紹： 1.場發射顯示器場發射顯示器場發射顯示器場發射顯示器（（（（FED）））） 奈米碳管優異的電子場發射特性使其在冷場發射源上的應用上具有相當的潛 能，場發射顯示器的特點在於反應時間迅速、寬廣的視角、工作溫度範圍大、且具 有陰極射線管的色彩，有別於傳統陰極射線管（CRT）因電子發射源體積龐大而顯 得笨重，場發射顯示器則是以數百萬根的奈米碳管做為電子發射源直接平鋪在螢幕 下方，因此每個畫素（Pixel）皆有個別專屬的電子槍，故螢幕可做的像 TFT-LCD 一樣薄，但目前因無法在低溫下（< 500℃）基板上長成奈米碳管，而限制其平面顯 示器上的應用，大面積成長碳管與使用壽命等問題即須等待克服。 2.場效電晶體場效電晶體場效電晶體場效電晶體（（（（Field-effect transistor）））） 奈米碳管可視為最細的導線，將其置於兩金電極間即可製做出最小的場效電晶 體，因碳管的絕佳導電性與導熱性質也解決了散熱與熱穩定的問題。但是目前測量 碳管的電性皆須藉由 AFM 的探針技巧推移至電極間以便量測，這對於量產上是極 大的瓶頸。 3.奈米導線奈米導線奈米導線奈米導線（（（（Nanowire）））） 金屬型奈米碳管本身即是一種分子導線，但其碳原子微結構強烈的影響碳管的 導電度，如碳管的管徑大小與原子排列時的缺陷如六圓環結構中摻雜了五圓環或七 圓環等，因此直接使用奈米碳管做為金屬導線目前尚有困難。 4.強化複合材料強化複合材料強化複合材料強化複合材料 因奈米碳管有極佳的抗拉、抗撓曲、高韌性等機械性質，若將其導入高分子製 做成具特殊功能性的複合材料並應用於汽車與建築物等，將可強化其原本材料的性 質延長使用的壽命。 5.儲氫材料儲氫材料儲氫材料儲氫材料 就燃料電池的發展而言，氫氣的儲存一直是一個需要突破的瓶頸。目前儲氫的 方法有液化氫、壓縮氫、金屬氰化物及活性碳等方法。但上述技術有缺點以致無法 用於商業用途，而中空的多層奈米碳管可將氣體凝結成液體而存於管中，這將使碳 管的氣體吸附量大幅增加且單層奈米碳管吸附氫氣的能力遠遠超過活性碳，故若能 將奈米碳管有效的應用於燃料電池中，將會是燃料電池的一大突破。
6.顯微鏡的掃描探針顯微鏡的掃描探針顯微鏡的掃描探針顯微鏡的掃描探針
1998 年 Wong et. al.嘗試以奈米碳管做為原子力顯微鏡（Atomic Force
Microscope，AFM）探針頭的開發，奈米碳管不論是強度、撓曲度、韌性及導電性 皆優於以矽為基礎的探針頭。 目前奈米探管探針的顯微鏡由於量產困難，且奈米探 管探針在大氣中亦容易氧化斷裂故壽命受限。 除了上述的應用外，奈米碳管亦可應用於極靈敏氣體偵測器，對於酸性環境或極微 量的鹵素氣體、戴奧辛等皆有靈敏的感應。
