奈米首部曲 編曲：台中一中凌美璦   台中一中王昭富

目 錄 第一樂章：濫觴 底下空間還大得很呢！ 第二樂章： 奈米檢測儀器 第三樂章： 應用

(There's Plenty of Room at the Bottom) 第一樂章 濫觴 底下空間還大得很！ (There's Plenty of Room at the Bottom)

「底下的空間還大得很！」 演講者：費曼(Richard P.Feynman) 時間：1959年12月29日 地點：於美國加州理工學院 題目：There's Plenty of Room at the Bottom.

費曼的演講1 把一套24本的「大英百科全書」寫在一個針間上。 一個新的物理領域：在極微小尺寸領域下，達到操縱、控制原子的目的。

費曼的演講2 不但「下面確實有空間」，而且「空間還大得很呢！」

「下面確實有空間」 費曼指出利用電子顯微鏡的技術，確實在實用方式上可把東西尺寸縮小。 利用帶電離子，透過一個具有縮小功能的電子透鏡，聚焦成一個非常微小的點，把這個小點當成「筆」來寫即可。 書寫方式：利用陰極射線的方式，逐線掃瞄，並利用調節離子數量的機制來控制「寫」上去的輕重。

「空間還大得很呢！」 如果用符號來代替不同的字母，假設每個字母用6~7個位元訊息來表示，每個位元訊息需要一個邊長5個原子的小立方體來代表： 一個位元=5×5×5個原子 大英百科全書=1015個訊息位元=邊長0.013cm的立方體

生物上的實例 生物學家早就熟知的事實：在非常非常小的空間內，能夠裝載極大量的資訊。 像人類這樣複雜的動物，一切有關身體組成的資訊，即存放在細胞內的一個非常微小的部分裡，以長鏈DNA分子的形式作為細胞訊息符號，每一個位元訊息大約用50個原子來代表。

如何讀取？ 我們需要更好的超強力顯微鏡。 目前電子顯微鏡的鑑別率約在10埃，亟需改善100倍。 可行性：以物理觀點而言，電子顯微鏡所用的電子波長為1/20埃，所以透過電子顯微鏡，應該可以看得見個別電子。

鑑別度 鑑別度R：與入射光波長λ與透鏡的 孔徑b有關。 R=b/1.22λ 目前透鏡的焦距值只有1/1000，數值孔徑不夠大。

奇妙的生物系統 生物學的例子：在微小尺寸記載著大量資訊。 每個細胞體積都很小，但活力卻很強，不但能製造各式各樣的化學物質，還會到處散步，擺動不停，並從事許多讓人驚嘆的事情。 他們都以很微小的尺度在進行，還儲存許多資訊，以備隨時隨地取用。 所以我們應該也可以製造出向細胞一般小的東西，供我們使用。

奈米科技可以解答的問題 生物上的問題： 什麼是DNA裡的鹼基序列？突變是怎麼回事？ 蛋白質究竟是如何合成的？RNA最後究竟跑到哪裡去了？葉綠素的作用與地位為何？它如何排序？光如何轉變為化學能？…… 化學上的問題：有沒有可能以物理辦法來合成化學物質？

超強力顯微鏡 蛋白質是怎麼合成的？RNA最後跑到哪？如果我們有個超強力顯微鏡，就可以用看的了！ 如果能把外科醫師吞下肚，讓他們隨血液進入心臟，那事情一定很有趣！

操控原子 如果我們可以操控一個個原子，那麼就可以吩咐它們在這在那，分子就合成出來啦！

量子電腦 人的腦袋=一部小電腦。 如果我們能將電腦元件尺寸變小， →電腦就縮小了，儲存的記憶容量會變大，速度會變快，而耗電量降低，散熱反而不成問題了！

底下空間還大得很！ 迴響：   演講後他懸賞美金一千元，徵求設計 小型馬達（製造規格是立方體積邊長 在1／164吋以下），結果不出一年， 一位電機工程師便交出及格產品。

Richard Feynman and William McLellan ca Richard Feynman and William McLellan ca. 1960 The World's Smallest Motor. In Dec. 1959 Feynman offered a prize of $1,000 to the first person to make a motor l/64th of an inch cube. CIT graduate, William McLellan, designed motor only 15/1000ths of an inch in diameter. Photo by McClanahan. Physics.

底下空間還大得很！ 影響：  奈米科技蓬勃發展

奈米科技的領域 1奈米(1nm)=10-9 m 奈米科技：尺度在100nm範圍內 的研究領域。

奈米科技的兩種作法 由大到小(Up to Down)： 大物質不斷切割化的手法。 由小到大(Down to Up)： 小物質累積成大物體的方法。

中尺度的奈米科技 1奈米(1nm)=10-9 m 奈米科技：尺度在100nm範圍內 的研究領域。

奈米觀測技術 如何觀測奈米等級的 物體？

第二樂章 奈米檢測儀器

第一台顯微鏡 1590年代第一台光學顯微鏡誕生。 以可見光為光源。 放大倍率僅約數百倍， 解析度可達λ/2。

光學顯微鏡

電子顯微鏡發展的重大理論基礎 1873 Abbe & Helmholfz 分別提出「影像的解析度與入射光波長成反比」的理論，奠定電子顯微鏡發展的理論基礎。 1924 德布羅依(Louis de Broglie)提出物質波(matter wave)理論，對顯微鏡解析度的提高有很大的幫助。 1926 Busch發現電子束可經由電磁場的改變而偏折。

雷利判別準則 雷利判別準則(Rayleigh Criterion)：兩點光源經一小孔繞射，若其中一點光源之繞射條紋中央線，恰落在另一點光源繞射之第一暗紋上，則稱此兩點光源為恰可鑑別。

鑑別度 鑑別度R：R=b/1.22λ 顯微鏡的鑑別度與入射光波長λ成反比與透鏡的孔徑b成正比。 (1)不可鑑別 (2)恰可鑑別 (3)可以鑑別

晶體結構、微細組織、化學組成、電子分佈情況、成份分析等。 光學顯微鏡 與 電子顯微鏡 特性 儀器 光學顯微鏡 SEM TEM 光源 可見光 電子 波長 ~500nm ~0.5nm 解析度 差 佳 原子級 介質 空氣 真空(＜10-4Torr至10-10Torr) 偏折聚焦鏡 光學鏡片 電磁透鏡 樣品準備 無 鍍導電膜 手續繁複 獲得訊息 表片微細結構 成份分析 晶體結構、微細組織、化學組成、電子分佈情況、成份分析等。

顯微鏡的分類 (1)光學顯微鏡 (2)穿透式電子顯微鏡 (transmission electron microscope，或TEM) (3)掃瞄式探針顯微鏡 (scanning probe microscope，或SPM)

電子顯微鏡與探針顯微鏡的區別 穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope，或TEM) 電子束穿透試片，產生信號而成像。適於物體內部微觀組織的觀察，晶體結構的測定以及生物組織的觀察。 掃瞄式探針顯微鏡(scanning probe microscope，或SPM) 利用探針在試片表面作掃瞄動作時，針尖與試片間作用力或穿隧電子束信號的變化而成像。 適於研究物體表面結構，例如金屬或非金屬材料的磨損面或塗層結構。

分析儀器 電子顯微鏡 T.E.M. S.E.M. 探針式顯微鏡 S.T.M. A.F.M.

穿透式電子顯微儀(TEM) 1934年德國人Ernst Ruska 製作了第一台穿透式電子顯微鏡(Transmission Electronic Microscope)。(獲頒1986年諾貝爾物理獎) 以電子束為光源。 電磁透鏡取代光學透鏡。 解析度提昇至「nm」。

穿透式電子顯微儀(TEM) 以電子束射穿試片，以顯示其內部狀態。 試片厚度不超過1000Å時，解析度可達1Å。

掃瞄式電子顯微儀(SEM) 可精確描繪出物體表面，亦可辨識出標本的組成原子。 放大率可達100萬倍，解析度提昇至「nm」。 Scanning Electronic Microscope： 簡稱S.E.M. 可精確描繪出物體表面，亦可辨識出標本的組成原子。 放大率可達100萬倍，解析度提昇至「nm」。

掃瞄式電子顯微儀(SEM) 電子槍發射電子束，經電磁透鏡聚焦並固定行進路徑，掃瞄線圈產生的磁場則會使電子束掃瞄過標本。再利用電腦將訊號還原成影像。

掃瞄探針顯微術S.P.M. (Scanning Probe Microscopy) 藉由回饋機制控制探針與樣品表面間的交互作用，進而得知樣品表面特性的技術。 可利用不同性質的探針，去分析樣品的表面形貌、電性、磁性、光性及力學等多種性質。 STM.與AFM.

掃瞄式穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope) 放大器 探針 回饋控制 讀取資料 xy位置控制 1981年賓尼 G. Binnig與H. Rohrer所設計(獲得1986年的諾貝爾物理獎） STM並未使用鏡片，而是用一支極細的金屬針，沿材料表面的高低起伏掃瞄，藉掃瞄時導致的穿隧電流變化來成像。

穿隧效應

S.T.M.的工作原理1 S.T.M.的原理是利用一極尖銳的針尖，在非常靠近試片表面時，即僅數埃(Å)的距離下，使針尖最前端電子的波函數與樣品表面原子的波函數發生重疊，然後在針尖及樣品表面間加一小電壓，使得電子產生量子穿隧效應，藉由測量電流值的變化，來描繪出樣品表面。

S.T.M.的工作原理2 S.T.M.的穿隧電流I與探針及試片間距d呈指數遞減的關係： κ ：波函數在位障中的衰減常數

S.T.M.的工作原理3 即S.T.M.的穿隧電流I對間距d具指數遞減的敏感度，所以當d改變1Å時，穿隧電流就改變一個數量級，而使S.T.M.具有原子的解析度。

S.T.M.的兩種掃瞄模式 等高度掃瞄模式(constant height mode) 等電流掃瞄模式 (constant current mode)

掃瞄穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope)

原子力顯微鏡 （Atomic Force Microscope，AFM） 1986年由賓尼G. Binnig 與蓋博Christoph Gerber及美國史丹佛大學的魁特Calvin F. Quate共同發展。 主要動機：希望有類似STM的空間解析能力。但不必受限於可導電的材料。

原子力顯微鏡 （atomic force microscope，AFM） 利用探針，來偵測探針與樣品表面間的原子力。 設定探針與樣品間的交互作用在掃瞄過程中保持一定距離(約0.1nm)，利用回饋電路，紀錄樣品表面每一點的垂直微調距離，獲得樣品表面圖像，進而推導樣品表面特性。 當探針與樣品接觸時，針尖與樣品表面間的原子作用力使探針發生偏移，雷射光被反射至光偵測器，訊號經放大並轉成電壓訊號後，利用回饋電路，使作用力在掃瞄過程中維持一定，此時只要記錄掃描器垂直軸的變化，即可得到樣品的表面形貌。

原子力顯微鏡 （atomic force microscope，AFM）

第三樂章應用 利用AFM來作奈米加工

AFM的奈米加工技術 除了檢測之外，也可藉由控制探針與樣品間的交互作用，使樣品表面發生改變，此即所謂奈米加工技術。 奈米加工技術依其原理，大致有以下幾種方式： 機械力、電場、場發射電流、吸附。

機械力 機械力可分為一般機械力與熱機械力。 機械力指的是控制探針直接與樣品表面接觸，利用接觸力進行加工。 奈米雕刻：加大探針的作用力刻畫樣品，製作凹洞、溝槽等。 IBM團隊即利用雷射加熱探針後，於高分子基板上壓出凹洞，應用於記憶儲存裝置。

奈米雕刻 奈米雕刻：利用AFM探針在金薄膜上雕刻出清大材料系創立30週年紀念，其中最小字為0.5μm×0.5μm，線寬為50 nm，深度為10 nm。

利用電場做奈米加工 奈米氧化：在探針上外加一電壓，則探針與樣品間會產生一強大的電場，藉此電場分解吸附於樣品表面的水膜，而發生陽極氧化使樣品表面發生變化。 場蒸發：金屬探針與樣品間所加的電場會改變兩者的能帶，使探針上的金屬原子蒸發到基板上。

奈米氧化 奈米氧化：利用AFM探針在氧化矽表面所得到的清大材料系徽，其氧化層高度為 3 nm，最小線寬為50 nm。

敬請指教