奈米材料之發展與應用

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1、奈米材料之發展與應用奈米材料所謂奈米材料泛指粒子尺寸大小在1~100nm(nanometer=10-9m)範圍內的材料，概稱為奈米材料奈米材料製備¢物理¢化學1物理方法¢微影蝕刻(lithography)、乾濕式蝕刻(etching)等蝕刻方法，即所謂的由上而下(topdown)的方法來製備奈米粒子¢科學家認為光刻法極限將在0.07微米左右，用離子(ionbeam)或電子束(electronbeam)可以改進蝕刻技術極限縮小至0.01微米，化學方法¢利用由下而上(bottomup)的方法¢也就是以原子或分子為基本單

2、位，利用溶液微胞侷限、電解、生物模板、溶膠-凝膠、化學氣相沉積(chemicalvapordeposition)等方法，漸漸往上成長成奈米粒子。¢製備比0.01微米更小的材料尺寸奈米材料特性2奈米材料特性¢催化性質¢光學性質¢磁性¢複合材料¢感測方面¢電子傳遞催化性質¢奈米粒子體積非常小→材料表面原子與整體材料原子的個數比例值變得非常顯著¢固體表面原子的熱穩定性與化學穩定性都要比內部原子要差的多¢表面原子的多寡代表了催化的活性→即大表面積是一個好觸媒材料的基本要素¢如Fe/ZrO2奈米觸媒可提升CO＋H2反應成烴類

3、的催化能力。光學性質材料尺寸小至某一程度：粒子小於塊材的激子半徑(excitonlength)奈米材料產生量子限量化的效應(quantumconfinementeffect)量子點(quantumdots)像原子與分子一樣具有不連續的能階變化粒子大小時能隙(energygap)會因粒子大小不同而不同3量子限域效應(quantumconfinementeffect)量子限域效應量子點(quantumdots)在能階密度量子線(quantumwires)(densityofstate)量子井(quantumwell)上

4、均不相同塊材(bulkmaterials)DensityofStatesofVariousQuantumStructuresBulkSuperlatticeQuantumWellQuantumWireQuantumDotD(E)D(E)D(E)D(E)D(E)EEEEE4光學性質¢在光學性質上有不尋常的差異¢奈米粒徑小於一般紫外光、可見光或紅外光波長，所以造成粒子對光的反射及散射能力大減¢如Al2O3、γ-Fe2O3、TiO2等奈米材料均可作透明及隱身的材料。磁性¢奈米鐵、鈷、鎳合金具有強的磁性663¢其磁紀錄密度

5、可達4X10至40X10Oe/mm，且其訊雜比極高¢Fe3O4奈米粒子粒子間磁性的互相干擾極弱，利用適當的表面活性劑，將其分散於液體時可成為強磁性的磁流體，其應用於鐵性雜質的連續分離。複合材料¢奈米材料的加入，可以提昇材料的剛性、抗拉、抗折、奈熱、自身防然性等性質¢如我們加入少許粘土於尼龍與聚亞醯胺，可以使吸濕性改善，可降低一半水氣的穿透性。5感測¢奈米粒子所製成的感測器，由於表面活體性增加造成訊號敏感性變強，另一方面，粒徑小導致孔隙度縮小，導致訊號傳遞迅速不受干擾，大大增強訊雜比。電子傳遞¢例如半導體量子線(qu

6、antumwires)會有電導量子化現象，使得原本傳統導線歐姆電阻觀念已不再適用，奈米級的絕緣層性質也會因電子穿隧現象(tunnelingeffect)而失去絕緣功用，超微小結構的電容量非常小，一個電子進去就會改變它的電位等，¢其他如磁、機械性、熔點等其他物理化學性質，奈米材料均亦與塊材有著全然不同的性質。6奈米科技的應用碳奈米管奈米高分子複合材料半導體奈米粒子奈米生化醫療科技分子製成的開關碳奈米管製成的元件掃描探針顯微術奈米碳管7碳的各種結構石墨、鑽石、C60及單層碳奈米管結構上的模擬。奈米碳管的發現¢第一次碳奈

7、米管的發現是在1991年，由日本NEC公司飯島澄男(S.Iijima)，在穿透式電子顯微鏡(transmissionelectronspectroscope，TEM)下，觀察碳的團簇(cluster)時意外發現有碳奈米管的存在。1991年，日本NECIijima博士在TEM下發現到碳奈米管的影像圖形。8奈米碳管的特殊性質(1)¢導熱性23.2W(cmK)-1與鑽石相當¢可以應用在緊密的電路空間裡將高熱量散佈出來奈米碳管的特殊性質(2)¢楊氏係數(Young’sModule)~1terapascals¢碳纖維的8倍、

8、鋼的5倍¢如果將奈米碳管和銅纜做成支架，強度可以支撐一個從地表拔地而起至位於2萬2000英哩高空上的太空平台。(1996年諾貝爾化學獎得主R.E.Smalley教授)奈米碳管的特殊性質(3)¢導電性則隨不同的捲曲方式而變-3-4¢導電度10~10Ω-cm類似鍺半導體-6¢導電度5.1X10Ω-cm與銅金屬相當¢若碳奈米管品質控制得當，我們可以將其做成奈米導線