奈米材料与技术

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1、奈米材料與技術吳泰伯第一章緒論1.1槪念緣起1.2基本定義與分類1.3邁向奈米材料世代第二章奈米基本理論_介觀物理2.1從量子世界出發2.2介觀體系之尺度指標2.3能態與能帶2.4量子化電子傳輸2.5量子干涉效應2.6量子限域效應2.7庫侖阻塞第三章奈米微粒3.1团簇與奈米粒子的形貌與結構3.2奈米微粒的物理與化學特性3.3奈米微粒的氣相合成3.4奈米微粒的液相合成3.5第四章4.14.24.34.4第五章5.15.25.35.46.16.26.36.46.5第七章7.1溶膠—凝膠製程奈米碳管與奈米線奈米碳管的結構

2、與特性奈米碳管的合成奈米線的結構與特性奈米線的製作奈米薄膜的結構特性與製作形態與結構超微薄膜顆粒膜超晶格奈米固體材料的性能與製備形態與結構奈米晶金屬材料奈米相陶瓷材料奈米複合材料奈米孔隙材料奈米結構體系的組裝與功能特性結構組裝技術人工組裝體系7.3自組裝體系7.4超分子體系第八章奈米材料的應用發展8.1微粒材料8.2薄膜材料8.3固體材料8.4奈米元件8.5奈米分子工程第九章奈米檢測9.1微粒分析技術9.2掃描探針顯微鏡技術第一章緒論“IfIwasaskedforanareaofscienceandengineer

3、ingthatwillmostlikelyproducethebreakthroughsoftommorow,Iwouldpointtonanoscalescienceandengineering?9(NealLane,AssistanttothePresidentofScienceandTechnology,1998)§1.1槪念緣起著名諾貝爾物理獎得主費曼教授早在1959年於其名爲"There'splentyofroomatthebottom^之演講中就指出「物理學的原理並未否決原子層次上製造器具的可能性，如果

4、有朝一日人類可以隨意操控原子，讓每一位元資訊存在一百個原子上，全世界重要藏書的儲存僅需要一粒塵埃的空間就夠T」。這一席話可說是奈米科技槪念的啓蒙，只是當時被大家視爲夢想。費曼此一操控原子的奈米科技槪念直到1980年代掃描穿隧顯微鏡，STM(ScanningTunellingMicroscope)，發明後才開始呈現曙光，1989年IBM公司的Eigler博士與其同事利用STM在低溫下於鎳的表面，將35個獨立的Xe原子排出IBM字樣（圖1.1），首先示範了人類操控原子的可能性。1996年IBM另一組科學家締造了另一項突

5、破，他們利用STM的探針來移動個別的分子，室溫下形成穩定的六角形分子環，甚至進一步將巴克球（即C60团簇）放置於一銅原子寛的凹槽，利用STM探針來撥動作爲珠子的巴克球，而製造出原子層次的“算盤”。這些實驗雖然還未有實用價値，但已震醒全世界：費曼的預言即將成真。奈米科技於是成爲各國政府與硏發機構優先投入的領域。這裡再引用另一位諾貝爾物理獎得主HorstStomer之話作爲奈米科技槪念的闡述：「奈米科技給了我們工具去把玩大自然的極緻玩具一in3■II原子與分子。萬物由其組成，創造新事物的可能性將無可限量。」奈米科技領域

6、是多元的，而其核心來自「奈米」此一字眼，它是一尺度單位，爲IO?米（公尺）。原子的直徑約爲0.2奈米，因此一奈米立方空間‘大約可容納100個原子，符合費曼教授所預測的資訊位元構成原子數，而此一空間尺度也恰是生物基因DNA的大小，可視爲構築生物體的單位空間。因此所謂的奈米科技並非僅是指縮小空間尺度的科技，更意味著在追尋大自然的腳步，學習創物者的技術。因此奈米科技雖緣起於操控原子、分子的能力，但其內容含括了物理、化學、材料=機械、電子、生物與醫學等領域，終極目標在掌握創物能力，設計與製造極緻之應用產品，甚至人工的生命物

7、質。人造萬物起自材料的掌握，在眾多的奈米科技領域中，奈米材料科技貫穿其間'是整合這眾多領域的基礎；因此奈米材料科技成爲全球奈米熱的首要目標。其內容涵括材料之結構與特性、合成與製程、及相關應用與檢測技術等。§1.2基本定義與分類奈米材料(nanomaterials)、或稱奈米結構材料(nanostructuredmaterials)，係指固體之三維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍、1〜lOOnm‘或由它們作爲基本結構單元‘並具備此奈米結構單元所主導之特性。此結構單元包括:a.零維一团簇(clusters)、奈米顆粒等

8、°b.一維—奈米線、奈米管等°c.二維—超薄膜、界面等。奈米材料的種類，從其時程與內容發展大致可區分成以下四類：a・奈米晶或奈米相材料(nonocrystallineornanophasematerials)-係指具有奈米尺度晶粒或結晶相之均質材料；此類材料含有很高密度的缺陷，使得至少50%的原子位於缺陷的核中，造成材料性能取決於缺陷核結構。b.奈米複合材料