數學和物理是相輔相成的，數學是一種工具，更 是一種語言，用來論證物理的真實。
在物理的世界中大量的使用了數學的代數、幾何 和微積分等，如光學中的透鏡成像、面鏡成像，
就有使用到許多幾何的觀念。
而萬有引力是利用微積分來導出；另外，運動學 中位移、速度和加速度的關係也是微積分和代數 的結果。
美國科學家理查費曼（ Richard P. Feynman
， 1918~1988 ）在他的著作《物理之美》中 曾提到：「那些不懂數學的人，很難使他們真正 了解大自然最深沉的美麗。」
獲得諾貝爾物理學獎的楊
振寧也曾說：「理論物理 的工作是『猜』，而數學 講究的是『證』」。
圖 16-1 噴出的熔岩顯示 出伽利略的自由落體為拋物 線
美國科學家理查費曼（ Richard P. Feynman
， 1918~1988 ）在他的著作《物理之美》中 曾提到：「那些不懂數學的人，很難使他們真正 了解大自然最深沉的美麗。」
獲得諾貝爾物理學獎的楊
振寧也曾說：「理論物理 的工作是『猜』，而數學 講究的是『證』」。
圖 16-1 噴出的熔岩顯示 出伽利略的自由落體為拋物
美國科學家理查費曼（ Richard P. Feynman
， 1918~1988 ）在他的著作《物理之美》中 曾提到：「那些不懂數學的人，很難使他們真正 了解大自然最深沉的美麗。」
獲得諾貝爾物理學獎的楊
振寧也曾說：「理論物理 的工作是『猜』，而數學 講究的是『證』」。
圖 16-2 氦原子的 原子結構示意圖
生物學主要是研究各種與生命有關的知識，包括 生命起源、分布、演化以及生命和環境間的關係 等。
目前生物在物理領域的相關學術
有：生物物理學、結構生物學、
生醫光電學和醫學工程等。
圖 16-3 光合作用反 應中心之三維結構示意
天文學是一門研究天體的起源、分布和演化的學 科，包含天體的構造、性質和運行規律等。
在古代，天文學和曆法有著不可區分的關連性。
研究宇宙的物理學稱為天文
物理學，又稱天體物理學，
主要以物理理論或實驗來解 釋及探討天體間彼此的關係
。 圖 16-4 哈伯深領域（ Hubble Deep Field ） 為一外太空照片，是以可見光拍攝最深遠的宇宙影像
地球科學是指一切研究地球的學科，以生物、化學和 物理等不同學科的角度切入研究關於地球的學問。
而地球科學和物理相關的衍生學科為地球物理學，主 要研究地球的形狀、受力及地球的重力場和磁場等相 關的科學。
除了地球物理學外，關於水圈水文方面有物理海洋學 等；關於大氣方面有大氣物理學等；關於太空方面有 太空電漿物理學和高層大氣物理學等。
當有一群分子或原子在一起時，受到分子和原子之間 交互作用力的影響下，分子或原子會依交互作用力的 強弱而成為固態、液態和氣態。
在氣態時，分子或原子彼此之間的距離很大，可以視 為一個單獨的個體。但在固態中，原子或分子會彼此 緊靠，使得原子和分子會互相的影響，而不能視為獨 立的一個分子。
如果固體的排列是很規則的，我們稱此為晶體
（ crystalline solid ）。
晶體的電子由於受到了能階的限制，會形成能帶
（ energy band ）。
電子可以在某能帶的最高能階到最低能階，但是電子 無法存在於兩能帶之間，這個電子不能存在的區域我 們稱為能隙（ energy gaps ），即能量禁帶
（ forbidden energy bands ）。
由於這種固體的能帶理論，當固體成形時，有三種可 能的能帶關係被形成，使得固體可以分成三類：金屬 導體、半導體和絕緣體（圖 16-5 ）。
圖 16-5 金屬導體、半導體及絕緣體的能帶關 係
金屬電子所填到的最高能階落在能帶上，能帶並 未填滿，只需獲得一點點的能量就可以達到未填 滿的能階，使電子可以移動，所以容易導電，為 電的良導體或稱為導體。
絕緣體的能隙很大，外層的電子不容易跨越能隙 而游離，使得要讓絕緣體導電是一種很困難的事
，這種電的不良導體，我們稱為絕緣體。
只要給予足夠的能量激發，或是改變其能隙的間 距，則半導體外圍的電子就可能被加速而形成電 流，因而導電。
半導體的材料眾多，例如矽（ Si ）和鍺（ Ge
）就是常見的半導體材料。
-19 1.6 10
半導體的能隙則是介於導體和絕緣體之間，一般 在 0.1eV ～ 1eV （ eV ，電子伏特， 1eV ＝
J）之間。
半導體的導電分為兩種模式，我們以矽－砷和矽－
鎵兩種半導體為例：
1. 如果在矽中間加入少許的 5A 族元素，如砷原子，
砷原子外層的四個電子會和四個矽原子的外層電 子形成共價鍵，而留下一個電子。這個多出的電 子會和自由電子一樣，只要施予一些能量，便會 游離而形成和導體一樣具有導電能力。這個電子 將成為電流的載子（ carriers ），
半導體的導電分為兩種模式，我們以矽－砷和矽－
鎵兩種半導體為例：
1. 因為電子是負電荷，所以是負載子。像砷這種在 矽中提供了一個自由電子作為導電用的雜質，
我
們稱為施子（ donor ），稱為 n 型半導體
（ 16-
6(b) ）。
半導體的導電分為兩種模式，我們以矽－砷和矽－鎵 兩種半導體為例：
2. 如果在矽中間加入少許的 3A 族元素，如鎵原子，
鎵原子外層的三個電子會和四個矽原子的外層電 子形成共價鍵，但是少了一個電子和第四個矽原 子形成共價，所以會產生一個電洞，成為電流的 載子，相當於一個正電荷。像鎵這種在矽中產生 多餘的電洞給電子移動用的雜質，我們稱為受子
（ acceptor ，稱為 p 型半導體（圖 16-6(c) ）。
圖 16-6
(a) 本質半導體 (b)n 型半導體 (c)p 型半導體
半導體的應用很廣泛，除了摻雜的過程會使半導 體改變電性外，半導體可由變電場而有動態的變 化；正因半導體具有導電性、可被控制的特性。
常見的半導體電路元件有二極體（圖 16-7 ）和 電晶體（圖 16-8 ）。
二極體有整流的功能，可以使交流電變為直流電
，並且可以限制電流的流向，確保電器的使用。
電晶體則有放大訊息的功能，為主動式的半導體 元件。當電晶體、電阻和電容這樣的主動式半導 體元件和被動式半導體元件組合起來，可以設計 各種的積體電路，如微處理器。
圖 16-8 電 晶 圖 16-7
穩壓二極體
( 一 ) 發光二極體
發光二極體（ LED ，圖 16-9 ）是半導體元件之 一， 1962 年在通用電氣公司尼克．何倫亞克
（ Nick Holonyak Jr. ） 開發出第一種可實際 應用的發光二極體後 ，發光二極體就被研 發並利用在生活上。
圖 16-9 發 光 二 極 體
( 一 ) 發光二極體
發光二極體的原理是將能量加在砷化鎵等半導體時，
當電子自傳導帶降回價帶時，會由高能階降至低能階而 放出光子。
發光二極體所放出的光子頻率（波長）和發光二極體 的材料有關，材料不同所發出的光子波長也會不同。
例如砷化鎵的發光二極體可以發出紅外線或紅光；而 磷化鎵發光二極體可以發出綠光。
( 一 ) 發光二極體
發光二極體和二極體一樣，電流方向不對就不會 發光。
電流方向可使發光二極體發光的電流，我們稱為 順向電流。
反之，無法使發光二極體發光的電流，我們稱為 逆向電流。
( 一 ) 發光二極體
1. 發光二極體的優點
(1) 效率高：能量轉換（由電能轉換成光能）的效 率高，較省電。
(2) 體積小：發光二極體的體積可以製造得很小。
(3) 耐震及壽命長： LED 較燈泡或日光燈的使用時 間久；且因 LED 為固體，較耐摔、耐震。
(4) 顏色種類多： LED 有多種顏色（圖 16-10 ），
可供消費者依需求或喜好做選擇。
( 一 ) 發光二極體
2. 發光二極體的優點
(5) 環保： LED 可回收再分解利用。
圖 16-10 不 同 顏 色 的
( 一 ) 發光二極體
2. 發光二極體的缺點
(1) 散熱問題：散熱不佳時， LED 壽命因而變短。
(2) 光源較集中，所以家用燈具需考慮 LED 的照明 範圍。
(3) 一致性較差：就算同一批的 LED 在同電壓的情 況下，發光強度和顏色仍有少許的差異。
( 一 ) 發光二極體
3. 發光二極體在日常生活中的應用 (1) 照明指示：例如機
車的尾燈、紅綠燈 （圖 16- 11 ）及其 指示燈號、廣告或 車站訊息看板…等 。
圖 16-11 LED 紅綠燈
( 一 ) 發光二極體
3. 發光二極體在日常生活中的應用
(2) 傳送光訊息：例如遙控器紅外線發光二極 體、
光學滑鼠（圖 16-12 ）…等。
圖 16-12 光學 滑鼠底部的 LED 燈
( 二 ) 太陽電池
太陽電池（圖 16-13 ）又稱 為太陽能電池或光電池，也有 人稱為太陽能晶片，是一種利 用太陽光直接發電的光電半導 體晶（薄）片。
圖 16-13 太 陽 電
( 二 ) 太陽電池
太陽電池的主要理論是利用愛因斯坦的光電效應 理論所產生的。
當有足夠能量的光子（太陽光）打到金屬靶上時
，會使其中的電子激發而產生電流。
利用這個原理配合 PN 接面的半導體，當陽光照 到半導體，受激發的電子和失去電子的電洞向相反 方向移動，形成了正負極。
( 二 ) 太陽電池
這樣的物件即一般 所稱的太陽電池（圖 16-14 ）。
圖 16-14 太陽電池的構 造
( 二 ) 太陽電池
1839 年法國科學家貝克萊爾
（ A.E.Becquerel ）發現光生伏特效應
（ Photovoltaic Effect ）。
1883 年菲特（ Charles Fritts ）成功製備出 第一片太陽電池，此片太陽電池是由鍺半導體上覆 上一層金製作的，物件只有 1% 的效能，而 1930 年照相用的曝光計也使用了光生電原理。
1950 年後製造太陽電池的技術越來越進步。
( 二 ) 太陽電池
隨著美太空計畫的進行，人造衛星上也改用太陽 電池為動力。
石油能源危機的威脅和環保意識的抬頭，我國在 2009 年也通過《再生能源發展條例》（ 2019 年 4 月 12 日立法院通過再生能源發展條例修正案）
，太陽電池的發展可說是當今科技不可忽視的一個 趨勢。
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( 二 ) 太陽電池
1. 太陽電池的種類
(1) 矽基太陽電池：主要由矽的半導體為基礎 的太
陽電池；矽晶的能隙為 1.12 eV 。矽 晶分為單
晶矽（ a-silicon ）、多晶矽（ poly- silicon ）
和非晶矽（ amorphous silicon ） 三種。其中
以單晶矽的光電轉換效能較佳，約 15
～ 24%
，但製作成本最高，而非晶矽的光電轉 換效能
P247
( 二 ) 太陽電池
1. 太陽電池的種類 (1) 矽基太陽電池
圖 16-15 結晶矽 基太陽電池的製作方
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( 二 ) 太陽電池
1. 太陽電池的種類
(2) 染料敏化太陽電池： 1991 年瑞士 格拉 特茲勒
（ Michael Gratzel ， 1944 ～）發表 了（ Dye
Sensitized Solar Cell DSSC ）相關 論文。染
料敏化太陽電池是以玻璃或透明的聚合箔 為基
板，再將奈米粒徑的二氧化鈦（ TiO ）塗 在基
板上，再利用釕金屬錯合物的染料和鉑觸 媒的
P247,248
( 二 ) 太陽電池
1. 太陽電池的種類
(2) 染料敏化太陽電池：
圖 16-16 染 料 敏 化 太 陽 電 池
(DSSC) 的 構 造 示
( 二 ) 太陽電池
1. 太陽電池的種類
(2) 染料敏化太陽電池：染料敏化太陽電池的光電 轉換效能只有 12% 左右，但由於製程簡單，
使得染料敏化太陽電池的生產成本相當低廉。
提高長時間的使用穩定性後，染料敏化太陽電 池會更普及且更具競爭力。
( 二 ) 太陽電池
1. 太陽電池的種類
(3) 串疊式太陽電池：是指運用多種不同材質、不 同能隙的太陽能電池做串疊後所製造出來的 太陽電池。疊加越多層的太陽能電池，光電 轉換效能甚至可達 50% 。具有發電效率高、
溫度係數低和最能降低發電成本等特性，近 幾年來逐漸受到重視。
( 二 ) 太陽電池
2. 太陽電池的優點
(1) 太陽能是免費的，而且只要是有光的地方就有 太陽能。
(2) 太陽電池是環保的，太陽能不會造成輻射或環 境的污染，也不會產生二氧化碳使全球溫度因 溫室效應而升高。
( 二 ) 太陽電池
2. 太陽電池的優點
(3) 太陽電池的安全性高，維修容易，且可安裝在 住家外，減少電力傳輸的損耗。
(4) 小型太陽電池體積小、攜帶性高，可適用於一 些 3C 產品，如計算機、翻譯機和手錶…等
。
1879 年美科學家愛迪生（ Thomas Alva Edison ， 1847 ～ 1931 ）發明電燈泡後
，人類從此邁出了人造光的一大步。
愛迪生一開始是使用竹碳細絲作為燈芯，但不能 維持長久的時間，最終以鎢代替碳作為燈芯。
現在的電燈泡即是使用鎢絲作為燈芯，並且將電 燈泡內部抽成接近真空，再灌入少許的氮、氬或 氪，使電燈泡能維持長久的使用。
鎢絲電燈泡之所以會發光是由於電流流過鎢絲，
鎢絲成為電阻而產生光和熱。
電燈泡的亮光是極亮黃色，甚至是白色的燈光，
白光和日光的白光幾乎相同，這種電燈泡因而稱 為白熾燈（圖 16-17 ）。
圖 16-17 白熾
鹵素燈泡是將鹵素氣體充灌於電燈泡內部；鹵素 氣體會使蒸發的鎢絲重新凝固在燈絲上，
鹵素燈泡能以比白熾燈更高的溫度運作，所以亮 度及效能更高，現在有
些汽機車的車前燈（大 燈）就是使用鹵素燈泡。
圖 16-18 鹵 素 燈
科學家發現在陰極射線管的陽極（螢光幕）處會 有亮點，但是一直到了 1930 年後，日光燈才被 發明出來。
日光燈又稱螢光燈、光管或螢光管（圖 16-19
），它是利用在管中灌入氬或 氖氣以及水銀蒸氣。當兩端 施予電壓時，兩端的鎢絲會 射出電子，將其中的氣體激 發成為電漿。
圖 16-19 日光燈
而當施加電壓到一定的大小之後，其中的水銀蒸 氣會放電而放射出 185 nm ～ 253.7 nm 波 長的紫外線，紫外線被管壁的磷質螢光物質吸收 後再釋放出可見光。
除了燃燒型（如油燈）、白熱型（如電燈泡）和 氣體放電型（如日光燈）的人造光之外，還有電 弧（如氙燈和弧光燈）和發光二極體（ LED ） 等人造光。
雷射（ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ， LASER ）原來的 意義為光被激發輻射的放大器。
1958 年美國科學家肖洛（ Schowlow ）及湯斯
（ Townes ）將氬光燈泡的光線照射在一種稀土 晶體上時，發現一鮮豔且匯集在一起的強光。
1960 年美國科學家梅曼（ Theodore Maiman
， 1927 ～ 2007 ）宣布獲得第一個雷射光束，
同年梅曼以一個高閃光燈光刺激紅寶石，製作出第 一台雷射器。
( 一 ) 產生雷射的三個要素
1. 能量激發 (pumping)
把能量提供給低能階的電子，使它能躍升至較 高
的能階。常見的為光激發（如固態雷射）或電激 發（如半導體雷射）兩種方式（圖 16-20 ）。
( 一 ) 產生雷射的三個要素
1. 能量激發 (pumping)
圖 16-20 雷射光產生的原理示意
(a) 圖為光激發光 (b) 圖為電激發光
( 一 ) 產生雷射的三個要素
2. 增益介質 (gain medium)
被激發和釋放能量的物質本身的材料特性，會 影
響到所產生的雷射光的波長等特性。
( 一 ) 產生雷射的三個要素
3. 共振放大 (resonance)
在發光區的外面使用共振腔（ Cavity ），使釋放 出的光線能在共振腔內不斷的經由反射，產生共 振，當光的能量放大增益到足夠的能量，就可以 從可穿透的平面鏡發射出去。
( 二 ) 雷射光的特性
1. 單色性：雷射為單一色光。
2. 指向性或方向性：雷射具指向性，不易發散。
3. 同調性：雷射為共振後發射的光波，因此有穩定 的頻率及相對相位，是同調的光源。
4. 高強度：雷射光的功率極高。
5. 超快性：雷射容易控制後產生超快的短脈衝波 。
情
報 站
度的指標。當兩道同頻率單色光高度同 調時，此兩道光的相對相位是穩定的。
若兩道光具很好的同調性，所產生的建 設性干涉或破壞性干涉會明顯而穩定。
若屬非同調光，兩道光的干涉會迅速變 化，不會有明顯的建設性干涉或破壞性 干涉條紋。
( 三 ) 雷射的應用
1. 美容醫療：高度的近視可以用雷射的方式矯正眼 球，使近視度數減少（圖 16-21 ）。雷射光也可 以用在美容去斑或除去刺青（圖 16-22 ）。
圖 16-21 利用雷射矯正近視度數 圖 16-22 利用雷射去除刺青
( 三 ) 雷射的應用
2. 光學儲存： CD 唱片、 CD 和 DVD 雷腦的光碟 片等
，都使用到雷射讀取（寫）頭。
3. 雷射金屬切割：利用雷射的高能來切割鋼板等金 屬（圖 16-23 ）。
圖 16-23 利 用 雷射精密切割金屬
( 三 ) 雷射的應用
4. 全像術：利用兩道雷射光源照在物體上，使其干 涉形成看似立體的圖片。
5. 核融合：利用雷射加強氘和氚，使它們能在高溫 下產生核融合。
6. 雷射武器：雷射的精準性可以使雷射光在準確的 控制下擊中來襲的飛彈，雷射武器在近距離使用 時也有致盲和射靶穿孔斷裂的能力。
傳統的電視是利用陰極射線管，也就是電子槍所製 造出來的顯示器，我們稱為 CRT 顯示器
（ Cathode Ray Tube ）。
CRT 顯示器是利用電子槍打出電子束，經過三色 濾光片，再由電場和磁場使電子束偏向，最後擊中 螢光幕而產生亮點（圖 16-24(a) ）。
CRT 顯示器分為交錯式和非交錯式（圖 16- 24(b) ）兩種。
交錯式是電子束依奇數行掃描完後再進行偶數行的 掃描，製作成本低，但看起來易閃爍。
非交錯式則是所有行依序的掃描，電子束的掃描 速度較快，製作成本高，但看起來不會閃爍。
圖 16-24 CRT 顯 示 器 的原理及非交錯式的掃瞄
1850 年德國醫生菲紹爾（ Rudolf Vichow ）等 人發現了神經纖維的萃取物有異常物質，後來
1877 年的德國 雷曼（ Otto
Lehmann ， 1855 ～ 1922 ）使用偏光顯微鏡 觀察到液晶化的現象，但無法解釋其現象。
直到 1883 年德國植物生理學家尼萊茲
（ Eriedrich Reinitzer ）在研究膽固醇時，觀 察到苯甲酸胺膽固醇在不同溫度時會產生異常現象
。
當苯甲酸胺膽固醇在 145.5 ℃ 時，會熔化成帶 有光彩的混濁物體；繼續加熱使溫度到達
178.5 ℃ 時，苯甲酸胺膽固醇又突然變成沒有 光彩且澄清的液體。
此澄清液體稍微冷卻後，混濁現象又再度出現。
雷曼以具加熱功能的顯微器觀察液晶降溫結晶的 過程，並以加上偏光鏡的顯微鏡觀察，最後證實 了該物質的特性。
當時稱此物質為軟晶體，後來又稱為晶態流體及流動 晶體，最後被稱為液晶（ Liquid Crystal ， LC ）
。
液晶被證實是有偏向性的物質，而菲紹爾和雷曼被稱 為液晶之父。
液晶是介在固體和液體中的一種狀態，分子和分子間 的距離比固體大，但無法像固體般的有序排列。液晶 分子間的作用力比液體大，所以會彼此影響而有規則 性的排列。
2. 近晶相液晶
近晶相（ smectic ）液晶的每個分子長軸都是相 互平行，而且有分層的組織，又稱為層列型液晶 （圖 16-25(b) ）。
( 一 ) 常見的液晶種類
3. 膽固醇相液晶膽固醇
相（ cholesetrics ） 液晶的分子是呈週期
性的螺旋結構排列（
圖 16-25(c) ）。
( 二 ) 液晶的應用
1. 生物方面
因膽固醇相液晶有螺旋結構以及偏光的特性，液 晶類固醇及酯肪類的化合物可以用在皮膚或乳癌 的偵測上；在可疑部位塗上液晶類固醇，再和正 常皮膚比對，檢視是否有病異。
( 二 ) 液晶的應用
2. 液晶顯示器
液晶顯示器（ Liquid Crystal Display ， LCD ）是
應用最廣泛的顯示器，例如液晶螢幕和液晶電 視
，為目前市占率最高的顯示器。液晶顯示器的 原
理（圖 16-26) 。
( 二 ) 液晶的應用
2. 液晶顯示器
圖 16-26 液晶顯示器的原 理 (Benq17”LCD)
( 二 ) 液晶的應用
(1) 液晶顯示器的優點
① 厚度較薄，重量較輕：因為不需電子槍，所以 厚度很薄，目前新的 LED LCD 電視僅 3 公分的 厚度。
②耗電量低：使用 LED 或冷陰極燈管 CCFL 做光源 的液晶顯示器，耗電比使用電子束的 CRT 顯示 器低。
( 二 ) 液晶的應用
(2) 液晶顯示器的缺點
① 價格較 CRT 顯示器高。
②大尺寸液晶顯示器因製程不易，不僅有尺寸上
的限制，且大尺寸液晶電視的價格也相對較昂 貴。
③ 視角的限制：由於液晶有偏光性，所以液晶電 視有視角上的限制，太大的角度會模糊不清。
當氣體被加到足夠的溫度後，氣體的分子會解離而形 成一團帶電的粒子，這些帶電的粒子包括氣體的離子 和自由電子，我們稱此狀態為電漿（ plasma ）。
有人稱為物質的第四種狀態。
電漿是在 1879 年由克魯克斯（ William
Crookes ， 1832 ～ 1919 ）所發現，而 1928 年美國科學家蘭米爾（ Irving
Langmuir ， 1881 ～ 1957 ）及湯克斯
（ Tonks ）才首次將電漿這個名詞使用於物理學中
。
例如日光燈管就是利用將汞蒸氣加熱至轉變成電漿 的形態，然後再利用電漿中的離子和電子碰撞產生 光和熱，進而發出紫外線，最後被日光燈管壁的螢 光物質吸收而產生可見光。
其他如霓虹燈及北極的極光等也都是電漿的現象。
電漿顯示器的原理類似日光燈的發光原理，我們使 用 0.5% 的氬和 99.5% 的氖為主要的氣體，經由 電極的施予電場，給予氣體能量，使得氣體受到加 熱而激發，形成了離子和電子在一起的電漿。
當電漿中的離子和電子結合會釋放出紫外光，這 些紫外光照射到紅（ R ）、綠（ G ）和藍（ B
）的螢光粉後，會產生三種色光（圖 16-27 ）
。
圖 16-27 電 漿
( 一 ) 電漿顯示器的優點
1. 厚度薄：和液晶電視一樣，因為不需用到電子束 ，所以不需要陰極射線管（電子槍），因此厚度 會比較薄。
2. 製作材料成本低：沒有使用到昂貴的材料，所以 製作成本不高。
3. 視角廣：因為利用的是電漿原理，並不像液晶顯 示器利用液晶偏光的原理，所以沒有視角上的問 題。
( 二 ) 電漿電視的缺點
1. 耗電高：因為使用電漿原理，在大尺寸的平面上 需供給足夠的電壓，所以較耗電。
2. 壽命短：電漿中的電子、離子或其他氣體在撞擊 螢光粉時，有時會和螢光粉產生化學反應，使得 漿顯示器經過長時間使用後，螢幕畫面顏色會偏 離標準。
的應用
( 二 ) 電漿電視的缺點
有機發光二極體（ Organic Light Emitting Diode ， OLED ）又稱為有機電激發光顯示器。
有機發光二極體的發現是由香港 鄧青雲博士
（ Dr. Ching W Ting ）在無意中發現的。
1975 年鄧青雲博士加入柯達公司的實驗室後，
意外發現一個實驗用的有機蓄電池在黑暗的實驗室 中微微發光，於是開始進行 OLED 的研究。
的應用
( 二 ) 電漿電視的缺點
有機發光二極體主要是將可以發出紅光、藍光和 綠光的發光半導體塗在基板上，兩端蒸鍍金屬電極
。
當電壓加在兩端的電極，會直接對不同顏色的發 光導體作用，當電子與電洞在有機半導體中結合發 光，即為有機二極體發光的理論（圖 16-
的應用
( 二 ) 電漿電視的缺點
圖 16-28 OLED 基 本 結構
圖 16-29 OLED 顯示器的構造
的應用
( 一 ) 有機發光二極體顯示器的優點
1. 厚度薄：因為有機發光二極體顯示器的構造簡單 ，所以厚度很薄，攜帶方便。
2. 視角廣：因為不像液晶顯示器利用液晶的偏轉，
所以視角廣。
3. 自發光，亮度高：因為不需像液晶顯示器使用背 光模組，有機發光二極體只要施予電壓便會自行 發光，不僅對比較高，反應時間也較短。
的應用
( 二 ) 有機發光二極體顯示器的缺點
1. 製作良率低：因為良率低，所以成本和價格一直 無法降低。
2. 穩定度不足：因為有機發光二極體的技術尚未成 熟，其中發光半導體的化學性質不是很穩定，
使
得有機發光二極體的壽命相對地較短。
奈米（ mano meter ）是一個長度單位， 1nm （ 奈米）＝ 10m 。
1952 年美國物理學家費曼（ Richard Phillips Feynman ， 1919 ～ 1988 ）以「由下而上的方 法」出發，提出從單個分子甚至原子開始進行組裝，
來達到設計的要求。
費曼也提出了「能對細小尺寸的物體控制，將可得到 大量的擴充我們獲得物理特性的範圍」；費曼的演說 被認為是奈米科技的靈感起源。
美國的國家奈米科技啟動計劃（ National
Nanotechnology Initiative ）將奈米科技定義 為：「 1 ～ 100 奈米的尺寸為現代科技在奈米規格 時的延伸。」
在奈米尺寸下，有許多不同於宏觀的物理現象會因尺 寸的變小而顯現出來（圖 16-30 ）。
例如統計力學或量子力學的效應都會和原先宏觀的情 形不同，尤其是對物體材料的特性表現，會有著和傳 統科技不同的想法和看法。
圖 16-30 各物質大小和奈米大小的比 較
人
20 億奈米 紅血球
一千奈米
DNA 1 奈米
氫原子 0.1 奈米
(一 ) 奈米的特性
1. 奈米表面效應
在奈米尺寸時，材料的表面積變大，原子表面的 數目隨之增加，原子的表面位能也變高；表面原 子的配位數明顯不足，使表面原子較內層的原子 活潑，因而容易和其他物質產生反應，例如金屬 易燃燒，而無機奈米的粒子則易和空氣吸附而反 應。
( 一 ) 奈米的特性
2. 量子尺寸效應
當材料奈米尺寸後，會形成不連續的電子能階，
產生量子限域效應（ quantum confinement effect ）。而此時電子的能階會變成量子化（非 連續）以及能隙變寬，我們稱此效應為量子尺寸 效應。
( 一 ) 奈米的特性
3. 穿隧效應
當兩個導體間帶有電位差，而彼此距離小到極小 的距離時，兩導體雖未接觸但其中的電子可能會 在兩導體間躍遷，這效應稱為穿隧效應（
tunnelingeffect ）。而這種技術應用在掃描式 穿隧顯微鏡（ STM ， scanning tunneling
microscopy ）上，會因材料表面的高低不平而產 生穿隧效應。
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應
當物體微粒變小時所產生的各種物質在性質上 的變化，稱為「小尺寸效應」。當微粒的尺寸與光 波波長或德布羅意波長相當或更小時，微粒的波動 性會顯得明顯，晶體週期性的邊界條件將會被破壞
。
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應 (1) 光學性質
能隙變大會使激發光譜和發射光譜偏向較短的波 長，產生藍移現象，因此奈米化後的金屬會變得 不易反射光線，呈現黑色。這些特性可以應用在 電磁波屏障、光電元件和生物標記（圖 16-31 ） 等方面。
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應
(1) 光學性質
圖 16-31 奈米金屬的生物標記
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應 (2) 力學效應
材料尺寸越小，硬度就越大；但是在尺寸縮小 至
一臨界值後，硬度卻反而隨尺寸變小而降低。
奈米尺寸的材料有著更好的可塑性和延展性，
可以運用在機械元件的材料特性上。
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應 (3) 熱學性質
奈米粒子表面的高表面位能，是燒結過程中驅動 原子移動的主要能量。奈米材料更容易低溫燒結 。因此奈米材料低溫燒結的特性，提供了粉末冶 金的新技術。
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應 (4) 電學性質
配合電子的穿隧效應和庫 侖阻塞效應，奈米材料被 運用在電子晶體及掃描式 穿隧顯微鏡（圖 16-32 ） 的科技上。
圖 16-32 掃 描 式 穿 隧 顯 微 鏡
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應 (5) 磁學性質
奈米金屬具有高磁場矯頑力及訊雜比（ signal
to noise ratio ）高的特性。而當奈米金屬的尺寸 小到一定值時，奈米金屬的磁場矯頑力會變為零
，而產生順磁性，容易被帶動而產生流動的液體 現象，被運用在精密的真空包裝和機械承軸的潤 滑上。
( 一 ) 奈米的特性
4. 小尺寸效應 (6) 化學性質
奈米材料的表面積變大，使得材料表面張力及表 面位能變大，和材料周遭的反應也隨之改變；奈 米材料的吸附力強，加上表面位能的變大，以及 低配位數，容易與周遭的原子或分子產生化學變 化。
( 二 ) 奈米科技的應用
1. 食
食物保存最害怕因氧氣而變質或孳生細菌，因此可在 包裝食品的塑膠袋、包裝紙袋或保特瓶等高聚合物中加 入奈米顆粒，增加其分子間的緊密程度，提高隔離氧氣 的能力。
在酒類的發醱中，釀製的酒除了乙醇外，還有甲醇和 醛類。可以使酒中的甲醇及醛類在奈米對撞機內全部氧 化成酯類，增加酒的香味。
( 二 ) 奈米科技的應用
2. 衣
奈米科技可以製造出和蓮葉（圖 16-33 ）一樣效 果的奈米衣物，這種奈米衣物具有可吸收紅外線
或抗 UV 的功能，且防水 不怕髒，就算被咖啡灑 到也不會留下污漬，適
合製成登山衣著。 圖 16-33 荷葉由於表面的奈米結 構，因而具有防水抗塵的自潔功能
( 二 ) 奈米科技的應用
2. 衣
奈米顆粒的耐磨、高硬度的 特性也被拿來做為太陽眼鏡的 鏡片材料。
奈米銀具有良好殺菌效果，
利用此特性可以製出抗菌的衣 料（圖 16-34 ）。
圖 16-34 奈米銀聚酯棉混紡紗
( 二 ) 奈米科技的應用
3. 住
在馬桶的陶瓷表面塗上奈米 微粒的釉藥，可以製造出易沖 洗、不沾污垢的馬桶（圖 16- 35 ）。
圖 16-35 奈米馬 桶
( 二 ) 奈米科技的應用
3. 住
在建築物表面及圍牆塗上二氧 化鈦（ TiO ）光觸媒的奈米顆 粒，可以使空氣中的硝化物或硫 化物分解。
不僅居家的空氣會更清新，還 可以使外壁長期保持亮麗（圖
16-36 ）。 圖 16-36
( 二 ) 奈米科技的應用
4. 行
奈米碳纖維可以改變腳踏車或機車的車體結構，使 腳踏車或機車的車身更堅固，而且重量更輕。
汽車的玻璃加入奈米顆粒，可以讓玻璃不易附著污 垢及水漬，對行車安全有相當大的幫助。
而若是車體加上奈米顆粒，則會使金屬間的分子緊 合度更高，車體較不易有刮痕產生。
( 二 ) 奈米科技的應用
4. 行
汽機車的排放氣是空氣污染的主因之一，在排氣管中加 上二氧化鈦光觸媒的奈米顆粒，可以使排放出來的廢氣分 解，減少空氣污染。
汽機車的方向指示燈及車燈，若以奈米的發光二極體製 造，可以節省能源的消耗。
另外使用二氧化鈦奈米太陽電池驅動汽車，亦可使汽、
柴油的耗量減少到最低。
( 二 ) 奈米科技的應用
5. 育
奈米技術不但可加速電腦晶片運算處理的速度，在 印刷技術方面，亦可大幅改善油墨質地及印材設備。
而加入特殊的奈米塗劑的紙張，具有防水防油的功 能，可延長書籍的壽命。
( 二 ) 奈米科技的應用
6. 樂
液晶顯示器或電漿顯示器近年已朝向多樣化產品發 展，而這正是奈米技術於背後扮演舉足輕重之角色，
未來更會有奈米碳管顯示器的問世。
目前英特爾 CPU i9 已經使用 18 奈米的製 程， 3.6G 八核心的超快執行。
( 二 ) 奈米科技的應用
6. 樂
而顯示卡也提升到 7 奈米工藝製程，使得在電腦遊 戲及 3D 影片的製作及播放上，都能夠提供優良的品 質。
奈米碳管也被用於球拍及滑雪桿等運動器材上，因 奈米材質重量輕及鋼性好的特點，使這些球具成了消 費者喜愛的運動用具。
( 二 ) 奈米科技的應用
6. 樂
而奈米塗覆的排球及網球，有著隔絕氣體、保持彈 性，以及表面不易被油污或汗水沾附的優點，漸漸為 國際賽事所使用。
( 二 ) 奈米科技的應用
7. 醫療
在醫療上，奈米膠囊可以使藥物不被抗體所吞噬，
並控制藥物的釋放速度，延長藥效的時間，例如胰島 素的奈米膠囊（圖 16-37 ）。 圖 16-37 奈米 單 晶 膠 囊 可
以 利 用 製 程 控 制 達 到 不 同 的 結 構 ， 用 磁 感 應 操 控 對 藥 物 不 同 釋 放 ， 達 到階段性釋藥
情
報 站
的「奈米纖維濾材技術」。這項技術可有 效去除水中的鈉、鈣、鎂等金屬離子或有 機小分子達 99% 以上，能運用於再生水 回收，以及一般家庭飲水的離子過濾，將 硬水變軟水，同時可應用於醫藥食品等特 用化學品純化與高濃度海水淡化處理，實 現水資源循環再生利用的目標，解決全球 水資源短缺危機。此技術獲得 2015 年全 球百大科技研發獎。
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