陳 智 , 教授 , TEL: (03) 573-1814

Email: chih@cc.nctu.edu.tw

材料科學與其展望

材料科學與其展望

系所沿革系所沿革 民國民國 7878 年年 88 月成立，招收碩士班學生月成立，招收碩士班學生。。 民國民國 8282 年成立博士班年成立博士班。。 民國民國 8686 年年 88 月設立大學部，成為完整的系所月設立大學部，成為完整的系所。。大學部生約 220 人碩士研究生約 120 人博士研究生約 160 人教授 23 人

系所沿革系所沿革

物理系材料

機械系材料

電機系材料

化學系材料

材料系

什麼是材料什麼是材料科學科學與與工程工程？？…… 一門研究材料一門研究材料結構結構與與性質性質關係的工程科學關係的工程科學……

• Mechanical• Electrical• Thermal• Magnetic • Optical• Chemical• Nano

性質 性質 PropertyProperty

巨觀Macroscopic structure

微觀Microscopic structure

原子atomic structure

結構結構 (Structure)

次原子Subatomic structure

什麼是材料什麼是材料科學科學與與工程工程？？…… 一門研究材料一門研究材料結構結構與與性質性質關係的工程科學關係的工程科學……

Processing Microstructure Properties Application

(Performance) ( 製程 ) ( 微結構 ) ( 性質 ) ( 應用 )

科學 科學 Science 工程 工程 Engineering

材料工程師：材料工程師：材料材料 醫生：醫生：病人病人

我想這個阿伯應該有修過工程材料我想這個阿伯應該有修過工程材料

Atomic Periodic Arrangement 原子週期性的排列

Face-centered Cubic面心立方體

自然界原子排列法則 (I) : 趨向完美

降低能量

Ex. Al, Cu, Au

體心體心 (Body-centered)(Body-centered) 立方體立方體結構結構

Ex. Fe ( 室溫下 )

六方最密堆積結構六方最密堆積結構

Ex. Ti

自然界原子排列法則 (II) : 趨向不完美提高自由度 ( 亂度 ) - Degree of Freedom

產生缺陷 Imperfections/Defects ：

點缺陷 ：空孔 線缺陷 ：差排 面缺陷 ：晶界

物質界的平衡

H2O(l)

水蒸氣H2O(g)

最低能量與最大亂度的平衡

Thermodynamics

微微結構與性質的關係

鑽石和石墨的組成：碳 原子

結構：鑽石 - 立方晶 石墨 - 六方最密堆積

鍵結的形態鍵結的形態共價鍵

金屬鍵

離子鍵

二次鍵結

金屬 陶瓷與玻璃

高分子

半導體

材料的分類材料的分類 金屬金屬材料 材料 (Metal Materials)(Metal Materials) 陶瓷陶瓷材料 材料 (Ceramic Materials)(Ceramic Materials) 高分子高分子材料 材料 (Polymer Materials)(Polymer Materials) 電子材料 電子材料 (Electronic Materials) (Electronic Materials) 複合材料 複合材料 (Composite (Composite MaterialsMaterials)) 生醫材料 生醫材料 ((Bio-materialsBio-materials)) 磁性磁性材料 材料 (Magnetic Materials)(Magnetic Materials) 奈米材料 奈米材料 (Nano-materials)……(Nano-materials)……

金屬材料的特徵金屬材料的特徵 良好的電與熱傳導特性良好的電與熱傳導特性 表面具有光澤可見光通常不能穿透表面具有光澤可見光通常不能穿透 優良的機械特性優良的機械特性 鍵結特性：無方向性的金屬鍵鍵結特性：無方向性的金屬鍵 除了純金屬除了純金屬，，各種各種合金合金也是重要的也是重要的

研究對象研究對象

那些是金屬？那些是金屬？

合金的重要性合金的重要性 由兩種以上的金屬組成的材料由兩種以上的金屬組成的材料 鐵合金鐵合金 (Ferrous Alloys)(Ferrous Alloys) ：：鋼與鑄鐵鋼與鑄鐵 非鐵合金非鐵合金 (Non-ferrous Alloys)(Non-ferrous Alloys) ：：

鋁合金鋁合金、、銅合金銅合金、、鎂合金鎂合金、、鈦合鈦合金金…………

鎂合金的應用鎂 (Magnesium):

1828 年被發現的銀白色輕金屬元素 , 無磁性。 原子序數 12 ，化學代號為 Mg, 電子結構為 2-8-2, 為六

方最密堆積晶體結構。 熔點 (M.P) 為 650°C(1202°F), 沸點 (B.P) 為

1107°C(2024.6°F) 。

鎂比重 1.7, 鋁 2.7, 鈦 4.5, 鐵 7.9, 銅 8.9, 鋅 7.1)

鎂合金結構零件鎂合金結構零件最輕的商用結構金屬最輕的商用結構金屬 ,, 比重比重 1.74,1.74, 約為鋁之約為鋁之2/3,2/3, 鋼之鋼之 1/5 1/5

優異之比強度與比剛性 優異之比強度與比剛性 最佳比強度之鑄造合金 最佳比強度之鑄造合金 最優異之切削特性最優異之切削特性 (( 相對功率：相對功率： Mg 1.0, Mg 1.0, Al 1.8, Steel 6.3) Al 1.8, Steel 6.3)

材料成本並不高材料成本並不高 (( 每公斤每公斤 100~140100~140 台幣台幣 ) )

鋁合金的強化與應用 鋁合金具有重量輕、硬度強、抗腐蝕性良好的特性，除

大量用於鋁門窗等建材外，目前於工業產品上之應用亦日漸廣泛，而其全球可供開採數量仍豐及容易再生的優勢，使其未來的發展將無可限量，以下就鋁合金的特性再列舉如下：

(1)質輕 鋁之比重僅為鋼鐵之三分之一， 相較其他金屬材質，亦屬較輕而質堅之金屬，在油價高漲的時代，為節省油耗而減輕車體重量已成為趨勢，這也是全球各大車廠近年來積極發展鋁合金於汽車上應用的原因。

強化機制強化機制 : : 加入約加入約 3-5%3-5% 的銅的銅

析出硬化

1. 析出硬化實驗

除了陶瓷除了陶瓷，，也包括玻璃也包括玻璃 以氧化物以氧化物、、氮化物與碳化物為主要組氮化物與碳化物為主要組

成成 電與熱的絕緣體電與熱的絕緣體，，能耐高溫與腐蝕能耐高溫與腐蝕 硬脆的材質特性硬脆的材質特性 鍵結特性：共價鍵與離子鍵鍵結特性：共價鍵與離子鍵

陶瓷材料的特徵陶瓷材料的特徵

陶瓷材料的組成元素陶瓷材料的組成元素

陶瓷引擎陶瓷引擎

包括塑膠與橡膠等有機之材料包括塑膠與橡膠等有機之材料 以碳以碳、、氫氫、、氧為主要的組成氧為主要的組成 具有相當高的分子量具有相當高的分子量 低密度之材質特徵低密度之材質特徵 低強度低強度、、高延展之機械性質高延展之機械性質 分子間以氫鍵或是凡得瓦鍵鍵結分子間以氫鍵或是凡得瓦鍵鍵結

高分子材料的特徵高分子材料的特徵

高分子材料的組成元素高分子材料的組成元素

液晶螢幕

高分子的應用以高分子材料包覆氧化鋅奈米粒子用於發光材料

由一種以上的材料組成由一種以上的材料組成 金屬基金屬基 (Metal-based)(Metal-based) 複合材料複合材料 陶瓷基陶瓷基 (Ceramic-based)(Ceramic-based) 複合材料複合材料 高分子基高分子基 (Polymer-based)(Polymer-based) 複合材料複合材料

複合材料的特徵複合材料的特徵

複合材料的實例複合材料的實例玻璃纖維 木材 混泥土

無毒性無毒性、、能與生物體結合與運作能與生物體結合與運作 與取代器官相似的機械性質與取代器官相似的機械性質 包括金屬包括金屬、、陶瓷陶瓷、、高分子高分子、、複合材料複合材料、、

半導體材料半導體材料

生醫材料的特徵生醫材料的特徵

鈷鉻合金

聚乙烯

鍍有磷灰石(Hydroxyapatite) 的髖關節

生醫材料的實例生醫材料的實例：人工髖關節的製作人工髖關節的製作

奈米生醫材料功能及結構元件之設計與研究Magnetic-Sensitive Nanospheres交大材料系陳三元教授

應用：錄音帶、錄影帶、及磁頭，電腦硬碟、軟碟 、信用卡

磁性材料的特徵及其應用

由鐵、鈷、鎳、部分稀土族金屬，或其合金所組成的材料

導電性介於導體與絕緣體之間的材料導電性介於導體與絕緣體之間的材料 由週期表第由週期表第 IVIV 族族、、 III-VIII-V 族 族 及及 II-VIII-VI 族組成族組成 能帶結構中能帶結構中，，能隙寬度約在能隙寬度約在 11 至至 2eV2eV 左右左右 可以用可以用摻雜摻雜 (Doping)(Doping) 的技術改變傳導特性的技術改變傳導特性

電子電子 // 半導體材料的特徵半導體材料的特徵

材料的電傳導特性

100

電傳導率 (Ω-1·m-1)108

10-8

10-16

銅鋁鐵

矽

氧化鋁聚乙烯

導體導體 (( 金金屬屬 ))

半導體半導體

絕緣體絕緣體 (( 陶瓷陶瓷，玻璃玻璃，高分高分子子 ))

鍺

半導體材料的組成種類半導體材料的組成種類

矽晶片矽晶片

積體電路 積體電路 (IC, Integrated Circuit)(IC, Integrated Circuit)Al(Cu) Interconnectecs, IBM J. of Research & Development, July 1995

0.5 m line width, and 0.5 m line spacing1 km of interconnect per chip

The Intel® Pentium® processor package in a ceramic PGA with a heat spreader

CPU 中央處理器

明日材料之星─奈米材料

1-100 nm ( 由幾個 ~ 幾百個原子組成 ) 的範圍 原材料消耗少 微小化、變性能化、對環境友好化奈米科技將引發一場新的工業革命可用來製造更好的塑料、電子產品、化粧品、塗料、電池、感測器、燃料電池、油漆、電腦、藥物 …等將影響幾乎所有製造的物品。

奈米科技及材料之定義？

微觀 介觀 巨觀

尺度： < 1nm 尺度： 1 ~ 100 nm 尺度： >100nm

簡單的說， 奈米科技就是極微小化的科技； 而奈米（ nanometer）是指十億分之一公尺（ 10-9 公尺）： 地球直徑的十億分之一，約只有一顆彈珠的大小。

在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約 5~155~15 微米微米細微突起的表皮細胞細微突起的表皮細胞 (epidermal cell)(epidermal cell) ，表皮細，表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約胞上又覆蓋著一層直徑約 11 奈米的蠟質結晶奈米的蠟質結晶 (wax (wax crystal)crystal) 。蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性，。蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性，所以當水與這類表面接觸時，會因表面張力而形成水所以當水與這類表面接觸時，會因表面張力而形成水珠，再加上葉表的細微結構之助，使水與葉面的接觸珠，再加上葉表的細微結構之助，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強了疏水性，同時也面積更小而接觸角變大，因此加強了疏水性，同時也降低污染顆粒對葉面的附著力 降低污染顆粒對葉面的附著力

明日材料之星─奈米材料

國科會近日通過「★奈米國家型科技計畫」﹐決定從明年起的六年內﹐投資新台幣二百三十億元﹐結合產官學研投入★奈米科技研究。這是國科會自民國八十七年結合各部會推動國家型科技計畫以來﹐投入金額最龐大的研究計畫。

以人工方式操控 /排列原子

材料系學些什麼？材料系學些什麼？ 大一大一：材料科學與工程導論：材料科學與工程導論。。

大二：物理冶金、材料熱力學、晶體結構與繞射、 材料力學、物理化學、有機化學、 材料基礎實驗。

大三：材料動力學、晶體缺陷、金屬材料、電子材料、高分子材料、 X光繞射、熱處理學、陶瓷製程、 材料工程實驗、…… . 。

材料系學些什麼？材料系學些什麼？

材料結構、性質與交互作用的知識材料結構、性質與交互作用的知識

大四：鑄造工程、腐蝕工程、粉末冶金、半導體 製程、固態物理、電子陶瓷、固態電子元件、 高分子化學、高分子定性與分析、…… . 。

交通大學材料系擁有交通大學材料系擁有

•最前瞻的研究方向、•最尖端的設備、•最新最大國際級的系館、•也是高科技界的最愛、•同時也與國際一流大學接軌。

國際級的材料系館國際級的材料系館 國際級的大學部實驗室國際級的大學部實驗室

交通大學材料系擁有交通大學材料系擁有

最尖端的設備最尖端的設備 檢測設備檢測設備 製程設備製程設備 半導體中心半導體中心 NDL(NDL( 國家奈米元件實驗室國家奈米元件實驗室 ) ) 電資中心設備電資中心設備 奈米科技中心奈米科技中心

掃描式電子顯微鏡

穿透式電子顯微鏡穿透式電子顯微鏡

熱分析系統 (2)

二千萬

一千萬

Focused Ion Beam離子聚焦束系統

2700 萬

分析設備分析設備 穿透式電子顯微鏡穿透式電子顯微鏡 (TEM) Hitachi 600 (NT$ 600(TEM) Hitachi 600 (NT$ 600 萬萬 ), JEOL ), JEOL 2000FX (NT$ 12002000FX (NT$ 1200 萬萬 ), Philips Tecanai 20 (NT$ ), Philips Tecanai 20 (NT$ 20002000 萬萬 ) )

掃描式電子顯微鏡 掃描式電子顯微鏡 (SEM) Hitachi 2500 ((SEM) Hitachi 2500 ( 含含 XX 光能譜儀與波光能譜儀與波譜儀，譜儀， NT$ 800NT$ 800 萬萬 ), JEOL 6500F(), JEOL 6500F( 含含 XX 光能譜儀與電子背向散光能譜儀與電子背向散射繞射偵測器，射繞射偵測器， NT$ 1200NT$ 1200 萬萬 )) ，陰極發光譜儀 ，陰極發光譜儀 CL/SEM CL/SEM

掃描掃描 Auger Auger 電子電子 microprobe VG350F (NT$ 2600microprobe VG350F (NT$ 2600 萬萬 )) 奈米壓痕器奈米壓痕器 // 原子力顯微鏡 原子力顯微鏡 (NT$ 600(NT$ 600 萬萬 ) ) 聚焦離子束聚焦離子束 FIB (focused ion beam) (NT$ 2700FIB (focused ion beam) (NT$ 2700 萬萬 )) XX 光繞射儀 光繞射儀 Siemens D5000 (NT$ 800Siemens D5000 (NT$ 800 萬萬 )) 紅外光譜儀紅外光譜儀 (FT-IR)(FT-IR) 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 (AFM/STM)(AFM/STM) 電性量測系統電性量測系統 (I-V(I-V 、、 C-VC-V、阻抗、阻抗 )) …………..

卓越研究－卓越研究－傑出的校友傑出的校友

企業最愛畢業生企業最愛畢業生(( 工學院工學院 ))

產學互動最好產學互動最好(( 工學院工學院 ))

最符合企業所用最符合企業所用(( 工學院工學院 ))

0404 年年排名排名 學 校 名 稱 學 校 名 稱 學 校 名 稱 學 校 名 稱 學 校 名 稱 學 校 名 稱

11 交通大學交通大學 交通大學交通大學 交通大學交通大學22 成功大學成功大學 台灣大學台灣大學 台灣大學台灣大學33 清華大學清華大學 清華大學清華大學 清華大學清華大學44 台灣大學台灣大學 成功大學成功大學 成功大學成功大學55 台灣科技大學台灣科技大學 台灣科技大學台灣科技大學 台灣科技大學台灣科技大學

66 台北科技大學台北科技大學 元智大學元智大學 元智大學元智大學77 中山大學中山大學 中山大學中山大學 中山大學中山大學88 中央大學中央大學 中原大學中原大學 中央大學中央大學

資料來源：天下 Cheers 2004 3 月號 ; 一千大企業眼中最佳電、資、工學院

卓越研究－卓越研究－學生國際學術交流學生國際學術交流

人數 國外大學或研究機構 時間 研究題目

2( 博士 ) 查爾莫大學 ( 瑞典 ) 2 年 GaN 材料及電子元件

2( 博士 )Tokyo Institute of Technology( 日本 )

6 個月 高頻元件及奈米技術

2( 博士 ) NTT( 日本 ) 1 年 奈米材料及元件

2( 博士 ) Queens University （英國） 1 年 高頻構裝技術

1( 博士 ) 德州農工大學 ( 美國 ) 7 個月 奈米線奈米球製作

1( 博士 )Max Planck Institute ( 德

國 )1 年 新型奈米雷射元件及光電特

性研究

2( 博士 )Max Planck Institute ( 德

國 )1 年 量子點發光二極體特性研究

卓越研究－卓越研究－全國材料系論文研究水準第一全國材料系論文研究水準第一

資料來源 : 國科會工程處材料學門現況報告

交大材料系擁有最卓越研究水準－依據國科會報告本系在國外期刊 (SCI論文 ) 發表之評比(Impact factor值 ) ，交大材料系近三年均為全國材料第一名， ( 註 : impact factor (IF) 値已經成為國際期刊評比的最重要指標。 IF値越高，表示論文被引用的次數越高，也就是其影響力及品質越好，例如 Journal of Applied Physics 2004年的 IF値為 2.25。 )

材料在高科技業扮演科技突破關鍵角色

發光二極體發光二極體 (LED)(LED) 產業產業 太陽能產業太陽能產業 半導體產業半導體產業 無鉛銲錫無鉛銲錫 (( 微電子封裝產業微電子封裝產業 ))

工程師製程工程師製程整合工程師產品工程師品管工程師故障分析工程師客戶服務工程師銷售工程師

材料系學生出路 :

• 研究員 ( 工研院，中研院，中科院 )• 教授 • 專利律師• …….

材料系學生出路 :

0

10000000

20000000

30000000

1 3 5 7 9 11

Years

Sala

ry Master

Ph.D.

台積電工程師碩博士新資比較圖累

計

結論結論

材料系在高科技業扮演科技突破關鍵角材料系在高科技業扮演科技突破關鍵角色色

交大材料系有交大材料系有最尖端的設備、最前瞻的研究方向、最新最大國際級的系館、也是高科技界的最愛、同時也與國際一流大學接軌。將是你的第一選擇

絕大部分交大材料系畢業生都可以找到絕大部分交大材料系畢業生都可以找到很好的工作，前景非常看好而且收入也很好的工作，前景非常看好而且收入也很好。很好。

Thank you for your attention