奈米科技概說

1. 科技的發展與工業革命2. 奈米出現了！3. 奈米是什麼？4. 奈米科技發展之重要歷程

科技的發展與工業革命

生活的進步與科技的發展有跡可循

• 農業• 傳統工業 （石化、鋼鐵等）

• 半導體產業

科技的發展與工業革命產 業

科技的發展與工業革命

• 鑽木取火

• 火力或水力發電

• 核能發電

能 源

科技的發展與工業革命交通

• 獸力• 汽車

• 高鐵

科技的發展與工業革命建築 • 茅草房

• 瓦片屋• 摩天大樓

• 留聲機

• 收錄音機

• CD 、 VCD 、 DVD等

娛樂科技的發展與工業革命

科技的發展與工業革命傳訊

• 飛鴿傳書

• 郵局

• E-mail

科技的發展與工業革命通話

• 老式電話• 一般電話

• 行動電話

科技的發展與工業革命照明

• 蠟燭

• 鎢絲燈泡

• LED燈

科技的發展與工業革命通話 • 全世界第一部電腦－ ENIAC

• 桌上型電腦• Notebook

科技的發展與工業革命資料存取 • 軟碟片

• 磁光磁片

• 光碟、隨身碟

科技的發展與工業革命娛樂 • 任天堂

• XBOX

• 網路遊戲

原來，人類的發展是這樣的… • 從落後到進步• 從緩慢到快速• 從粗糙到精緻• 從巨大到細小• 從簡單到複雜• 從巨觀到微觀• 從看得見到看不見

但是，似乎遇到了一些麻煩… • 對微小物體且不佔空間之需求• 對節省能源之需求• 對綜合性更高階功能之需求• 對垃圾減量之需求• 對美感之需求• 對輕便使用之需求• 對產業升級之經濟需求• 對極致探索之心理需求

好！還要更好！ 人有求善求美的天性於是…

現今科技發展逐漸走向奈米尺度的新領域所以奈米出現了！

Michael Jordan 23

奈米是什麼？

奈米是什麼？姚明 226cm

奈米是什麼？恐龍的尺寸 - 數十公尺？

奈米是什麼？

地球的尺寸( 直徑一萬三千公里 )

奈米是什麼？銀河系

( 直徑 130,000 光年，厚 3,000 光年 )

奈米是什麼？宇宙 (~200 億光年 )

奈米是什麼？昆蟲的尺寸 ( 數 mm~cm)

奈米是什麼？精子與卵子 ( ~1mm)

DNA 的尺寸 (~ 2nm, )

奈米是什麼？

奈米是什麼？病 毒 (60~250nm)

原 子 ( 直徑： 0.8~0.4nm)

奈米是什麼？

H atom ~ 0.08 nm

核子與電子 ( ~ 1fm )

奈米是什麼？

奈米是什麼？• 「奈米」是不是稻米的一種。• 「奈米」是音譯而來，英文為

nanometer ，是長度單位，數學符號為 nm 。• 其字首 Nano在希臘文原為「侏儒」。• 在大陸翻譯成「納米」。

奈米是什麼？大小二巨觀現象

微觀現象

介觀現象100 nm

0.1 nm

奈米（ nanometer ）是一種「長度」的單位 , 1 nm＝ 10 － 9 m ，也就是十億分之一米

1 nm 大約是 12個氫原子排起來的長度

於奈米尺度 (1~100nm) 下操控原子、分子，並活用奈米尺度下表現出來的特殊物性、化性和生物性質，開發創新材料、製程、元件和系統產品的科技

米(m)

毫米(mm)

10m100m

人高 細沙 微生物頭髮

細胞 血球 細菌 病毒 高分子 糖分子DNA

氫原子50~100m

微米1m 100nm 10nm 奈米

nm埃

0.1nm

奈米：尺寸的單位，十億分之一米奈米是什麼？

與奈米比大小

能攀岩走壁的 “壁虎神功”

自然界的奈米現象

自然界的奈米現象

足 底 有 650 萬 根 細 毛 (tiny hairs)每 根 細 毛 分 成 數 百 根 的 tips ( 直 徑~200nm)

一根細毛可支撐 20mg 重量，一百萬根可舉起 20 公斤重量 ( 利用 Stanford 大學的 microscopic force sensor 測量 )利用分子間彼此吸引的凡得瓦爾力與各種 物 體 表 面 黏 著 ， 每 平 方 英 寸 可 支 撐 200 磅的重量

鴨子羽毛防水效果

保持乾燥的鴨子自然界的奈米現象

色彩繽紛的花蝴蝶自然界的奈米現象

蝴蝶翅膀的鱗片具有此種類似光子晶體的網狀結構，其週期在數百奈米左右，可反射部分顏色的光，其餘顏色的光則會穿透過去，而且顏色會隨觀看角度的不同而改變。

自然界的奈米現象• 「光子晶體」，係指物質呈特殊的週期性排列，可以反射特定波長的可見光。

sin2d

d

Constructive interference: wave cannot penetrate the crystal

海老鼠自然界的奈米現象

海老鼠是生活在水深不超過 2000 公尺的一種海中蠕蟲，身長約 15-20 公分， 身寬 5 公分 ， 正 式 名 稱 為Aphrodita 。它的整個背部覆蓋了毛氈狀的長刺，呈現出色彩繽紛的外觀。

自然界的奈米現象這個色彩繽紛的外觀，來自於其針狀毛髮對光的反應。當光以垂直角度入射時，毛刺呈紅色，隨著入射角的偏離，顏色也越偏藍綠色 ( 見左圖 ) 。這個反射光顏色隨入射角度而變的性質，正是光子晶體的特徵之一，而海老鼠的毛刺在電子顯微鏡下(右圖 ) ，果然清楚地呈現六角晶格的週期結構。

自然界的奈米現象

鯨豚體表也有著奈米顆粒，所以海中的生物才無法附著在鯨豚體表。

利用氣泡帶走表面的髒東西

自然界的奈米現象

宋朝周敦頤在《愛蓮說》中寫道：「水陸草木之花，可愛者甚蕃。…。予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖，中通外直，不蔓不枝。」

蓮花效應 （ Lotus Effect ）

蓮花效應主要是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性

自然界的奈米現象

液滴在表面的接觸角示意圖。上圖為疏水性的接觸；下圖為親水性的接觸。

自然界的奈米現象

自然界的奈米現象

蓮花葉子表面有大約 1 nm 的懼水性臘晶體，因此，任何污物很難附著在上面。

可以摸黑走路回家的龍蝦自然界的奈米現象

永遠記得回家的路 – 海龜自然界的奈米現象

佛羅里達的墨爾本海灘捉的小海龜，研究人員模擬了距離當地往南或往北 350 公里的地磁場。當牠們發現是在北方時，就拚命往南游以便回家。相反地，當牠們以為是在南方時，就要往北游。這個結果顯示海龜有能力感測地磁場，並利用來規劃航行路線，就像人類利用全球定位系統（ GPS ）一樣。

自然界的奈米現象

裝著方向記憶雷達的 -- 蜜蜂自然界的奈米現象

天然的蛋白石

蛋白石是由二氧化矽奈米球 (nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素無關， 而是因為它幾何結構上的週期性使它具有光子能帶結構，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化； 換言之，是光能隙在玩變彩把戲。

自然界的奈米現象

1928 年 • 英國科學家辛恩 (E. H. Synge)提出近場光學顯微鏡 (SNOM) 的原理。

1931 年• 德國科學家魯斯卡 (Ernst Rusta)在實驗室造出第一部穿透式電子顯微鏡 (TEM) 。

1938年 • 德國科學家馮亞德納 (M. von Ardenne)成功製作第一部掃瞄式電子顯微鏡 (SEM) 。1959 年

• 美國費曼教授 (Richard Feynman)在美國物理年會上發表「底層之下，尚有廣大空間」的演講。

1962 年• 日本久保亮伍教授 (R. Kubo)提出

「久保亮伍」 理論，說明金屬顆粒細微化後產生之能階變化現象。

1972 年• 東京大學本田健一教授與博士班學

生藤嶋昭發現「本多 -藤嶋」效應。

• 近場光學顯微鏡 (SNOM)製作成功。

奈米科技發展之重要歷程

1974 年 •東京理科大學谷口紀男教授於國際生產技術會議發表之奈米技術的基礎概念論文中，首次提出奈米科技一詞。

1981 年 •IBM的賓尼(Gerd Karl Binnig)和羅瑞(Heinrich Rohrer)博士共同設計並完成世界第一台掃瞄式穿隧顯微鏡(STM)。

1984年 •德國薩爾大學教授葛雷特(Gleiter)等人，提出奈米界面結構模型。

1985 年• 英國蘇塞克大學教授克羅托 (Harold

W. Kroto) 與美國萊斯大學的克爾和史摹利 (Richard E. Amalley)教授發現了碳 60結構，證實碳分子的第四種結構。

1987 年• 荷蘭戴爾夫特理工大學的巴爾特威斯與飛利浦研究所的亨克豪特等人，發現電導量子化的有力證據。

1989 年• 美國加州大學羅倫茲實驗室－柏克萊－的研究員首次利用 STM 觀察到小牛胸線 DNA 的右手螺旋結構。

奈米科技發展之重要歷程

1990 年• 麻省理工學院的德瑞克斯勒 (K. Eric

Drexler)博士在其「創造引擎」的論文中對奈米科技下了定義，並提到分子自組裝的概念。

1990 年 4月• 美國國際商業機器公司 (IBM) 科學家伊格 (Don M. Eigler) 與史維哲 (E. K. Schweizer)博士，利用 SFM 以35個氙原子排列出 IBM 的字樣。

1990 年 7月• 首屆國際奈米科技會議在美國巴爾

的摩舉辦，正式把「奈米材料」做為材料科學的一新分枝。1991 年

• 日本築波「電器株式會社」 (NEC Corporation) 公司研究員飯島澄男(Sumio Iijima) 發現多層壁奈米碳管(MWNT) 。

1992 年• 美國科學家伯庫威茲與蕭等人發現

巨磁電阻 (Giant Magneto-Resistance, GMR)效應。

1993 年• IBM 的克洛米 (Crommie) 等人利用

原子搬動的方法，用鐵原子在銅原子表面建立一座「鐵原子圍欄」(corral) 。

奈米科技發展之重要歷程

1994 年• 美國波士頓 MRS秋季會議正式提出

了奈米材料工程的名稱。• 亞利桑納大學材料科學與工程系合成

出「實心針狀」的奈米碳化矽晶鬚。1996 年

• 美國萊斯大學旦斯 (S. J. Tans)和史摩利 (Richard E. Smalley)教授等人合成了成行排列的有序單層壁奈米碳管束(SWCNT) 。

1997 年

• 美國科學家首次成功利用單電子移動單電子。

• 紐約大學科學家發現 DNA可用於建造奈米層次的機械裝置。

• 東京大學藤嶋昭教授提出以光觸媒做光清淨革命的概念。

奈米科技發展之重要歷程

1998 年• 美國的羅伯特福雷塔斯 (Robert A. Freitas Jr.)博士出版奈米醫學－奈米技術應用於醫療與健康保健。• 德國奈米科技中心成立，正式推動奈米相關產業。• 128G 單電子電晶體的室溫控制實驗成功。

1999 年• 巴西達尼埃爾烏加爾教授與美國敖特席爾教授發明了世界最小的秤，可量測十億分之一克的重量 (約一個病毒 ) 。• 美國科學家在單分子上實現有機開關。• 哈佛大學菲力浦金姆 (Philip Kim)博士和查爾斯理伯 (Charles

M. Lieber)教授製造出奈米鑷子 (nanotweezers) 。

奈米科技發展之重要歷程2000 年

• 美國推動奈米國家奈米計畫，大力投入奈米科技之研發。• 我國國科會自然處開始推動奈米材料尖端研究計畫。• 西班牙巴塞隆納大學克賽羅斯磁性材料實驗室的基里 (Ron

Zioli)博士發現幾乎無能量損耗之順磁奈米複合材料。• 美國能源部桑迪亞國家實驗室 (Sandia National Lab)運用雷射微細加工技術研製出智慧手術刀。• 德州大學合成出能與半導體材料結合的縮氨酸分子。• 牛津大學利用 STM成功於室溫操縱單個溴原子在銅表面移動。

2001 年• 美國柯林頓 (Bill Clinton)總統宣布美國國家 2001 年科技研究計畫 -國家奈米技術計畫。• 美國喬治亞理工學院汪中林教授等人利用高溫氣相法，成功合成準一維氧化鋅等寬帶半導體結構。• 紐約斯隆凱特林研究中心之戴維沙因貝格爾博士等人，利用錒 255 原子研製出微型藥丸 -智慧炸彈。

2002 年• 第一屆國際奈米科技展覽會於日本召開。• 亞洲第四屆掃瞄探針顯微術暨台北奈米科技研討會於台灣舉行。• 美國羅倫斯利物摩爾國家實驗室的瑞第 (Jean-Yves Paty) 等人，利用電腦模擬創造出奈米尺度之金鋼石微粒模型 -巴克金鋼石 (Bucky diamond) 。• 我國工研院正式成立跨院所之奈米研究中心，大力推動奈米科技產業。• 國科會主導之奈米國家型科技計畫正式推動。

奈米科技發展之重要歷程

2003 年• 美國威廉和瑪麗學院傑佛生 (Jefferson)實驗室聲稱於 NASA的協助下，利用自由電子雷射造出比傳統技術快 200被的奈米碳管。• 美國國會通過「 2003 奈米技術研究發展法案」 (HR766) ，於未來奈米科技研究上撥款 2000 億美元。• 德州大學合成出能與半導體材料結合的縮氨酸分子。• 牛津大學利用 STM成功於室溫操縱單個溴原子在銅表面移動。

奈米科技的發展

底部尚有大量空間There's Plenty of Room at the Bottom

Richard P. Feynman

1959 年 12 月 29 日，諾貝爾獎得主李察費曼（ Richard P. Feynman ）教授在美國物理學會的聚會裡發表演說，暢談沒有任何物理定律限制科學家在原子的微觀條件下改造、操控或組成物質，並大膽與精確地預言，科學家將從這些微小物質之中，發現許多新鮮及豐富的性質。

An Invitation to Enter a New Field of Physics

理查．費曼（ Richard P. Feynman ）著；吳程遠等譯，「費曼的主張」費曼演講－窺究到底，空間還多的很費曼演講－微小機械 1965 年因量子電動力學的卓越研究，獲得諾貝爾物理獎。

底部尚有大量空間Talk of There’s plenty of room at the bottom

(…What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale… What I have demonstrated is that there is room – that you can decreased the size of things in a practical way, I now want to show that there is plenty of room…) 。

「……我想說操縱與控制微小物體是可能的，因為當物體被縮小後，在微小世界仍有許多的空間。」

原子世界將有新的力量Possibility of maneuvering things atom by atom

The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. At the atomic level, we have new kinds of forces and new kinds of possibilities, new kinds of effects. The problems of manufacturing and reproduction of materials will be quite different.「就我認為，物理原理不違反操縱原子的可能性。在原子世界將有新的力量、新的可能性、新的影響，但問題是如何製造原子尺度的材料與重複生產，因為原子世界所有事物將與普通世界不同。

假如人類能夠用普通尺度的儀器，來製造體積較小的儀器，而較小的儀器又可以製造更小型的儀器，就這樣一步步逐級地縮小儀器，以致最後就可以實現按照人類意志來排列、重組的原子，如此將可以對人類的科技與生活創造出新的奇蹟。

費曼 (R. Feynman) 的假想

假想 - 將 24 本「大英百科全書」 抄至一枚大頭針的針尖上 ，全部文圖縮小 25,000 倍

量子侷限理論quantum confinement theory

1962 年，日本東京大學的久保亮五教授提出了量子限制理論，用來解釋金屬奈米粒子的能階不連續。也就是說，當金屬奈米粒子的原子數目減少，使所對應的電子能階數也減少，電子原有的帶狀連續能階，會變成不連續能階。在這種情況下，奈米粒子會受到局限，而表現出不一樣的物理特性 ，如蒸氣壓變大、熔點降低、表面及界面效應增加，及量子效應產生等特性，使其擴散與燒結行為、化學反應能力，以及其他光、電、力、磁學等物性發生根本的變化。這是很重要的里程碑，使得人們對奈米粒子的電子結構、型態和性質有了進一步的了解。

本多 - 藤嵨效應Honda-Fujishima Effect

光觸媒：概括的說就是經過光的照射，自身雖不起變化卻可以促進化學反應的物質。如植物在進行光合作用時不可或缺的葉綠素，即是一種天然的光觸媒。

光觸媒的研究可以追溯至 1972 年，當時發現將光線照射在二氧化鈦(TiO2)時，水會產生電解的現象，稱之為 Honda-Fujishima 效應。

光觸媒之材料Materials of photocatalysts

光觸媒材料主要是奈米半導體材料，目前以銳鈦相 TiO2 、 ZnO 、 SrTiO3及 CdS被証實為較有效光觸媒材料，其中又以銳鈦相二氧化鈦最廣泛應用於光觸媒，其激發所需能量位差為 3.2eV ，相對於此一能量躍遷，所需光能量之波長為 380nm 。

光觸媒 光的能量 催化作用 自由基 (-O2-,-OH-)

H2O,O2

TiO2製備方法，包括 Sol-Gel法、水熱法、 CVD 、 PVD 、熱水解法等 。 其 結 晶 可 分 為 anatase( 銳 鈦 礦 ) 、 rutile( 金 紅石 ) 、 brookite(板鈦礦 ) ，其中以 anatase最具光觸媒的效果。

TiO2 之結構Structures of TiO2

光觸媒之應用Applications of photocatalysts

自我潔淨原理principle of selfclean

在 Ni （ 110 ）表面利用 35 個 Xe 原子排列而成之 IBM文字。

原子操縱術

利用低溫 STM ，在銅（ 111 ）表面上先鍍上一些鐵原子，將一顆顆鐵原子移動排成一圓圈及一橢圓的量子圍籬，銅的價電子在鐵原子圍成的區域內便形成駐波。

原子操縱 - 量子圍籬在 Cu （ 111 ）表面上 48 個 Fe 原子

碳六十倍的發現 (C60)

C60 是由 60個碳原子所組成，其結構如圖所示，是由 20個六角形和12個五角形所圍成，外形像一顆英式足球，是目前已知對稱性最高的球狀分子，也是除了石墨 (graphite) 及金剛石 (diamond) 以外，第三個被發現的碳同素異形體 (allotropic form) 。

史莫利、柯爾和克羅托因發現 Fullerencs 結構，於 1996 年獲諾貝爾化學獎。

單層奈米碳管Single Wall Carbon Nanotubes

多層奈米碳管 MultiWall Carbon Nanotube

掃描式電子顯微鏡

First Scanning Electron Microscope from JEOL(商用 )

1938 第一部掃描電子顯微鏡由 Von Ardenne 發展成功

穿透式電子顯微鏡之構造與基本原理

穿透式電子顯微鏡分析主要偵測的資料可分為兩種：（ 1 ） 擷 取 穿 透 物 質 的 直 射 電 子(Transmitted Electron) 或彈性散射電 子 (Elastic Scattering Electron) 成像。（ 2 ）作成電子繞射圖樣 (Diffraction Pattern, DP) ，來作微細組織和晶體結構的研究。

1931 德國物理學家 Ruska 首先發展出穿 透式電子顯微鏡原型機。1986 Ruska 因電子顯微鏡的發明獲諾貝爾獎。

JEM-3200FSC :300kV field emission gun

遠場光學與繞射極限1873 年：德國物理學家阿貝（ Ernst Abbe ）認為觀察者與被觀察者在遠場光學的範圍中（即遠大於一個量測波長的距離時），無法避免由於光的波動性質所造成的干涉與繞射效應。所以在傳統光學顯微鏡中，僅能獲得約 1/2個量測波長的空間解析度，這稱為光學繞射極限。英國的瑞賴（ Lord Rayleigh ）提出 Rayleigh 準則：

d ≧ 1.22λ／ 2n sinθ 其中 d ：兩物體的距離 λ ：所使用的光波長 n ：所在的光學介質折射係數 θ ：用來收集或聚光至感測器所用的物鏡光孔穴的半角。遠場光學環境中欲獲得高空間解析度 : (a)縮短使用光波的波長，如使用紫外光、 X 光乃至電子束等短波長的電磁 波。 (b) 高折射係數介質，如油鏡或浸漬技術。 (c) 光孔穴半角大的物鏡，如大口徑與高曲度的物鏡。

近場光學的發展

近場光學顯微術之概念：孔穴直徑與其到待測物表面的距離都遠小於一個波長，近場光學訊號因為這一光孔穴的存在而產生，於是記錄樣品表面上每一點的近場光學訊號強度，並把它做成二維平面排列後，便可得到近場光學顯微影像。

1928 年：英國的辛恩 (E. H. Synge)提出。1972 年：亞許 (E. A. Ash) 與尼可斯 (G. Nichols) 以波長是 3cm的微波證實。

近場光學顯微術

光纖探針的電子顯微鏡照片：光纖探針可用熔拉或腐蝕的方法製成，再鍍上一層金屬，以形成一奈米尺度光學孔穴。右圖是光纖探針的俯視圖，針尖的開孔大約是 80∼100 奈米。

掃描式近場光學顯微鏡

穿透式近場光學顯微鏡

近場光學顯微術

近場光學顯微術

(a) 是美國標準局驗可的直徑 100nm聚苯乙烯塑膠顆粒球的原子力顯微影像； (b)則是穿透式近場光學顯微影像。它們的空間解析度各是 1nm及20nm左右。

穿隧掃瞄顯微術 (STM)

穿隧掃瞄顯微術（ scanning tunneling microscopy ，簡稱STM ）可以讓我們了解奈米尺度下，物質的表面結構，它能從最基本的原子層級來瞭解材料的各種物理及化學特性，並藉掌控原子來製造新材料及新元件。

1986 年賓尼與羅雷爾博士因發明 STM獲得諾貝爾獎。