第八章 現代科技簡介 8-1 半導體、雷射、超導體 8-2 液晶、電漿 8-3 奈米科技

8-1-1 半導體 8-1 半導體 、雷射、超導體 8-1-3 超導體 8-1-2 雷射

8-1-1 半導體 2 of 17 半導體是「導電能力」介於金屬導體和絕緣體之間的一種材料。 例如：矽、鍺、砷化鎵等晶體 製作半導體的方式是將上述晶體內加入微量的雜質原子，可以「改變它的導電能力」。 利用半導體材料，可製成二極體、電晶體等電子零件。

8-1-1 半導體 3 of 17 「二極體」有把交流電改為直流電的整流能力。 「電晶體」具有放大交流電訊號的能力 這兩種元件體積非常小，使電子產品的「微型化」成為可能。

8-1-1 半導體 4 of 17 電晶體自1947年發明後，造成電子工業革命。 封裝成品 1958年後，又發展出積體電路技術，按照設計的電路，將需要的電晶體、二極體、電阻、電容等零件製作在邊長數毫米、如紙薄的晶片上。 晶圓 小晶片 3000倍 每一個小晶片都是完整的電路，故稱為積體電路(IC)。

8-1-1 半導體 5 of 17 電路的進展： 1940年真空管電路：體積最大、耗電最高、不穩定 1950年電晶體電路：體積小、耗電低、穩定 1958年積體電路(IC)：體積最小、耗電最低、穩定 一片晶圓就可以生產出數十個積體電路(IC)小晶片，所以IC能大量生產，故成本大為降低。 積體電路使電器能「輕、薄、短、小」，為生活帶來許多便利。

8-1-1 半導體 6 of 17 習題8-1 (1)半導體在導電能力上與導體、絕緣體有何差異？ (2)二極體與電晶體各有何重要功能? (3)何謂IC技術？ 解： (1)半導體的導電能力介於導体、絕緣體之間。 (2)二極體整流；電晶體放大交流電訊號 (3)IC積體電路(integrated circuit)技術

8-1-2 雷射 7 of 17 英文全名是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，縮寫為LASER。 雷射是用量子力學知識得到的重大發明之ㄧ。 1958年，美國人湯斯提出構想。1960年，由美國人的梅曼成功利用紅寶石製成紅光雷射。 其後數年內，其他物理學家陸續發明用不同材料製成發出不同顏色的雷射光。

8-1-2 雷射 8 of 17 雷射光具有準直性、光度強、光束不發散的特性。 雷射可以應用在工程、工業、醫學、軍事、商業、科學研究…等許多方面。 雷射在工程上的應用： 測量直線 利用雷射的準直性導引隧道工程開挖的方向。 測量距離 利用雷射光從光源至目標物來回反射的時間便能計算出兩點間的距離。 註：1969年，美國在登陸月球時裝置反射鏡，藉此反射雷射光測得地球與月球的距離

8-1-2 雷射 9 of 17 雷射在工業、醫學上的應用： 切割工具 可將雷射光能量集中在挾小範圍，因此可作為方便有效的高熱源，例如二氧化碳雷射。 在工業上，雷射用於金屬的切割和精密加工。 在醫學上，可當作手術刀使用，不但精密，而且由於切口的燒烙作用，幾乎不會出血。 如：雷射近視手術或利用光纖導引到體內做內視鏡手術可將病變組織燒除、汽化。同理可以除疤、除胎記、除紋身等。

8-1-2 雷射 10 of 17 雷射在軍事上的應用： 雷射在生活上的應用： 雷射導引 精靈炸彈利用紅外線雷射光的導引，能自動調整飛行方向朝向目標，進行精確的轟炸任務。 雷射在生活上的應用： 超級市場 利用雷射光掃描包裝盒上的條碼。 影音光碟 利用雷射光聚焦在光碟片上打洞，將數位資料存入光碟，也可從光碟中讀取數位資料。(圖中小洞大約微米尺寸)

8-1-2 雷射 11 of 17 習題8-1 (4)和普通光相比，雷射光有何主要特性？ (5)除了課文中所舉有關雷射光的應用例子外，試從日常生活中舉出一見應用雷射光的實例。 解： (4)光度強、光束不發散。 (5)雷射筆(LASER pointer)

8-1-3 超導體 12 of 17 1911年，荷蘭物理學家翁內斯利用液態氦發現超導現象。 (液態氦沸點為-269℃或4K) 常溫下，所有物體都有電阻，但某些物體若冷卻至轉變溫度以下時，其電阻會完全消失，此時稱該物體進入超導態。 在超導態時，若在其內引發電流，則此電流可持續流轉不息，不會衰減，稱永久電流。

8-1-3 超導體 13 of 17 1933年以後，德國物理學家麥士納發現超導體另外具有完全的反磁性，即對外加磁場會產生排斥作用，下圖為普通磁鐵上方的超導體，因排斥作用而懸浮上方。 超導體 普通磁鐵 液態氮上方的 水氣形成了霧

8-1-3 超導體 14 of 17 零電阻的特性可應用於傳輸電線、強力馬達、高效率發電機等。 但是當時發現金屬的轉變溫度都極低，得用昂貴的液態氮來冷卻，不合經濟效益。 在1986年以後，發現新型的金屬氧化物超導材料，其轉變溫度大幅提高到-148℃，故稱為高溫超導體，但質脆不易製成線狀，為其缺點。 高溫超導只需要用廉價的液態氮(沸點-196℃或77K)作為冷卻劑，提高了應用價值。科學家還在努力尋找是否有室溫超導體。

8-1-3 超導體 15 of 17 超導體內所能承受的電流也有上限，稱臨界電流。超過此上限，超導態立刻消失，恢復成有電阻的正常態，使初期的超導研究頗受挫折。 現今的高溫超導體，其轉變溫度較高、臨界電流較高，因此具有較高的實用價值。 現今高溫超導體已經在應用的方面有： 超強磁鐵、醫療用的核磁共振MRI、磁浮列車…等。

8-1-3 超導體 16 of 17 習題8-1 (6)何謂超導體？其主要特性為何？ (7)超導體中，何謂臨界電流？ (8)何謂高溫超導體？ 解： (6)溫度低於轉變溫度時物體電阻消失現象，其電阻為零、可引發永久電流、具完全反磁性。 (7)超導體內可承受的最大電流，超過此上限，超導現象消失，物體回復原來有電阻的狀態。 (8)轉變溫度較高的超導體。

網路資源： 17 of 17 1.雷射 http://members.aol.com/WSRNET/tut/ut1.htm

8-2 液晶、電漿 8-2-1 液晶 8-2-2 電漿

8-2-1 液晶 2 of 22 1888年奧地利植物學家雷尼哲發現一種由植物中分離出的物質具有兩個熔點，當時他認為原因是樣品為不純的混合物。 於是他將樣品純化，重作實驗，但結果仍然一樣，困惑的他，求教於當時德國著名的晶體學專家李曼。 李曼利用可加熱的偏光顯微鏡研究後，確認它是一種因熱而導致的新型態，兼具液態和固態的特性，故命名為液態晶體。

8-2-1 液晶 3 of 22 液態晶體(Liquid crystal)簡稱為液晶。 固體內部原子或分子是整齊有序的排列，故形狀一定；液體內部則雜亂無序，可以流動而無一定形狀。 液晶是有機物的分子組成，其分子像液體一樣可流動，但分子排列又保有部份的有序性，因此它的性質介於液態和固態之間。

8-2-1 液晶 4 of 22 液晶分子的形狀大多為柱狀體，其長度約2奈米(2x10-9m)，也有呈盤狀或圓錐狀的液晶分子。 右圖為加熱固態晶體使其轉變為層列型相態液晶再繼續轉變為向列型相態液晶最後變為液態的示意圖。

8-2-1 液晶 5 of 22 層列型液晶 向列型液晶 平整面積大 呈現不同色彩 平 整 面 積 小 具有方向性 偏光顯微鏡下所看到的液晶

8-2-1 液晶 6 of 22 液晶分子的排列除了受熱影響也會受到電場或磁場的影響，因此可藉由施加電場來控制液晶的排列，拓展液晶的應用價值。 液晶可應用於顯示文字和圖像，稱為液晶顯示器(Liquid Crystal Display，簡稱LCD)。 最早問世於1968年，由於LCD具有省電、體積小，因此具有方便實用的性質，適用於電子錶面、電子儀表板、電腦顯示幕、投影機等。

8-2-1 液晶 7 of 22 下圖為扭轉向列型液晶顯示器(簡稱TN型LCD)的構造圖。 偏光片：負責濾光。 配向膜：具有直條狀刮痕的薄膜，引導液晶分子排列方向。 中間填入液晶分子，。

8-2-1 液晶 8 of 22 其中偏光片的功能是濾光，當光的電場方向(偏振方向)與偏光片方向平行時，則光可通過，如圖左。 當光的電場方向與偏光片方向垂直時，則光無法通過，如圖右。 偏光片2 偏光片1 可以想像成篩子(偏光片)與義大利麵(光的偏振方向)。

8-2-1 液晶 9 of 22 注意上、下兩層的偏光片以及配向膜，其方向各自互相垂直！ 最上層與最下層的液晶分子受配向膜溝槽束缚，故順著溝槽排列。 夾在中間的液晶分子受到的束缚力較小，因此會均勻的作螺旋狀排列。

8-2-1 液晶 10 of 22 光的電場方向會順著液晶分子的長軸偏轉，當光到達上層偏光片時剛好轉了90度，便可順利通過上方的偏光片，看起來就是一個亮點。

8-2-1 液晶 11 of 22 當我們接上電源，液晶分子會被電場吸引而立起來變成垂直排列，結果無法影響光的偏振方向。 失去了液晶分子影響的光，由B到A的過程中方向就不會改變，因此無法通過上方的偏光片，看起來就是一個暗點。 有電不透光 無電透光

8-2-1 液晶 12 of 22 控制電場 就是控制液晶分子 就是控制光通不通過 亮、暗 黑白顯示器。 亮 暗

8-2-1 液晶 13 of 22 習題8-2 (9)何謂液晶？ (10)何謂LCD? (11)簡述扭轉向列型液晶顯示器(TN型LCD)的原理。 解： (9)分子狀態介於固態與液態之間的液晶態稱之。 (10)利用液晶做的顯示器(Liquid Crystal Display)。 (11)控制電場控制液晶分子排列 光通不通過亮或暗。

8-2-2 電漿 14 of 22 持續加熱固態物質，會變成液態，繼之會變成液態。若繼續加熱到非常高的溫度會如何呢？ 原子內的束縛電子得到足夠的能量，便能夠脫離原子核的束縛，原子便分離成自由電子與帶正電的原子核。 像這種由可自由移動的電子和正離子組成的混合態，稱為電漿(Plasma)或是電離體，具有導電性，被認為是物質的第四態。

8-2-2 電漿 15 of 22 利用直接加熱、光照射或施加高電壓等各種方法，均可使氣態的物質轉變成電漿。 右圖為利用多支強力雷射照射固態氘和氚的混合物，產生電漿，可以進行核融合。

8-2-2 電漿 16 of 22 右圖為市面上常見擺飾用的電漿球，我們在電漿球的中心施加有高頻率的交流高電壓，所產生的強電場，使封入求內的氖氣游離成電漿而發光，像閃電一樣。

8-2-2 電漿 17 of 22 右圖為電腦控制電漿切割機，可精確切割大面積金屬板。 下圖為產生電漿噴嘴的構造示意圖，電漿的溫度可高達約攝氏一萬六千度。 噴嘴外側的屏蔽氣體常為惰性氣體，可隔絕氧氣避免噴嘴被氧化，另外更限制了噴出電漿的半徑，控制切口的大小，即精確切割的由來。

8-2-2 電漿 18 of 22 電漿電視的上的每一個像素，是由藍、綠、紅三個小色素點所組成的，這三種光混合形成彩色。

8-2-2 電漿 19 of 22 每個小色素點(小房間)都填入氦、氬混合氣體。 在小房間上、下通電，使氣體轉變為電漿，放出紫外線，照射內壁的磷光塗劑而發出光。

8-2-2 電漿 20 of 22 塗上藍光塗劑的小房間會發出藍光，同理可塗上會發出綠、紅色光的塗劑，負責發出綠、紅光。 電漿電視有大面積、高明暗對比、反應速度快、厚度薄的優勢。 總結電漿可應用於核融合、金屬精確切割、電漿電視等方面。

8-2-2 電漿 21 of 22 習題8-2 (12)何謂電漿？如何使氣體的物質形成電漿？ (13)簡述電漿電視的原理。 解： (12)由自由移動的電子與正離子混合組成者稱之 。直接加熱、照光、通高壓電。 (13)由各自發出藍、綠、紅光的三個色素點組成一個像素，形成彩色。每個色素點內填入氦、氬混合氣體，通以高壓電使之游離成電漿，放出紫外光，照色磷光塗劑，發出光的三原色。

網路資源： 22 of 22 1.液晶顯示器http://www.ee.washington.edu/circuit_archive/text/LCD.html

8-3-1 奈米尺度 8-3 奈米科技 8-3-3 奈米科技發展 8-3-2 顯微技術

8-3-1 奈米尺度 2 of 21 奈米是長度單位名稱， 1nm=10-9 m。 奈米大約是一根頭髮直徑的十萬分之一。 註：頭髮直徑大約100 μm = 100x10-6m 奈米大約是原子直徑的3~5倍。 註：原子直徑大約 0.2~0.4 nm 因此奈米尺度是介於微米尺度~原子尺度之間的尺寸大小。

8-3-1 奈米尺度 3 of 21 在最佳的情況下，人眼的鑑別率約為0.2mm，古有云明察秋毫(毫米)。 註：鑑別率，在能分辨出相鄰兩點的情況下，兩點所能接近的最小距離。 光學顯微鏡約為0.2μm，所以顯微鏡可輕易看見細胞。 電子顯微鏡是觀察電子訊號的一種顯微技術，其鑑別率大約在3~0.2nm之間，分辨原子有點難。 因此傳統的顯微技術是無法看清楚固體表面原子排列的情形。

8-3-1 奈米尺度 4 of 21 習題8-3 (14)何謂奈米？ 解： (14)奈米是長度單位名稱， 1nm=10-9 m。

8-3-2 顯微技術 5 of 21 1981年，美國IBM公司所屬的兩名科學家，德國人賓尼格與瑞士人羅勒，發明了「掃描穿隧顯微鏡」，簡稱為STM，兩人於1986年獲頒諾貝爾物理獎。 利用一根針尖很細的金屬探針(常用鉑、鎢或鎳製作而成)。 100 μm

8-3-2 顯微技術 6 of 21 將針尖與導體樣品的表面靠的很近很近，通電後會產生微小的電子流(稱為穿隧電流)。 穿隧電流會隨針尖與樣品的距離而劇烈改變，藉此知道表面的原子起伏。 其鑑別率可高達0.02nm，可以清楚顯示出導電晶體表面的原子排列圖像。

8-3-2 顯微技術 7 of 21 利用STM顯微技術，可清楚顯現出白金晶體表面所吸附的碘原子(紫色隆起的半球物)。圖像的長、寬各為2.5nm。(顏色是電腦著色。) 碘原子 白金表面 未吸附碘原子 的缺陷

8-3-2 顯微技術 8 of 21 但STM要偵測電子流(穿隧電流)，故只能應用在導體表面上，在絕緣體表面則無法發揮功效。 同一年，賓尼格和史坦福大學教授奎特合作發明了另一種原子顯像儀器，適用於任何物體的表面掃描，稱為「原子力顯微鏡」，簡稱AFM。

8-3-2 顯微技術 9 of 21 利用微影蝕刻技術，在矽晶體上做出一支頂端附有探針的懸臂，針尖極細。 ? nm 20nm

8-3-2 顯微技術 10 of 21 把細小的針尖靠近樣品表面，針尖原子感受到樣品表面原子的作用力，而隨之高低起伏。 利用雷射光與光偵測器來偵測並放大探針的起伏，即可知道樣品表面原子的高低起伏。 註：原子間的作用力存在何處？現在，把你的手放在桌上，用力壓，你的手是不是還在桌面上呢？並沒有因為下壓而『鑽』入桌子裡吧？那就是原子間的排斥力在作用喔！

8-3-2 顯微技術 11 of 21 左圖為利用AFM，所得到的矽晶體表面原子排列圖像。 右圖為SARS冠狀病毒出現在受感染的細胞表面上，掃描面積長、寬各為1μm。

8-3-2 顯微技術 12 of 21 左、中圖為利用AFM，所得到的CD、DVD表面紀錄的數位訊號0與1，圖像邊長均為10μm，可看出DVD的容量大多了。 右圖為利用STM搬運矽原子得到的結果，是不是與光碟數位訊號很像呢？注意比例尺為10nm，代表這個未來的儲存裝置容量比DVD大的多喔！

8-3-2 顯微技術 13 of 21 下面三張圖為利用AFM操控DNA分子所排列出來的三個英文字母，DNA。看出來了嗎？

8-3-2 顯微技術 14 of 21 STM與AFM統稱為掃描探針顯微術(SPM)，不僅用於顯示原子圖像，也可以用於操控原子。 偵測 穿隧電流 原子間作用力 適用範圍 限導体 導體、絕緣體、生物體 鑑別率 ~0.02nm 功能 顯微、操控原子

8-3-2 顯微技術 15 of 21 習題8-3 (15)STM的鑑別率約為光學顯微鏡的幾倍？ (16)何謂「掃描探針顯微術」？ (17)STM和AFM用於顯示原子圖像的原理有何不同？ 解： (15)0.2μm/0.02nm~一萬倍。 (16)利用探針掃描樣品表面，得到表面圖像者稱之，如：STM、AFM等。 (17)STM偵測穿隧電流，限導電樣品；AFM偵測原子力，導體、絕緣體、生物體均可掃描。

8-3-3 奈米科技發展 16 of 21 目前製作積體電路的光學微影蝕刻技術的極限約為100奈米左右，如90奈米製程的CPU等，意思是CPU中每條導線的寬度是90奈米。。 利用經過化學處理的AFM探針，直接在晶體表面上刻畫直線，線條的寬度可縮小至15奈米左右，如圖所示。利用此奈米蝕刻技術，將來的IC晶片體積將更小、功能更強。

8-3-3 奈米科技發展 17 of 21 當物體大小縮至奈米的尺寸時，因其僅由數個或數十個原子組成，其性質和一般由許多原子組成的物體會有顯著的不同。 這些光學性質、電性、磁性等物理性質的不同，產生一些奇異的現象無法用傳統物理學解釋，必須用量子物理來解釋，故稱這些異常現象為量子效應。 有時候這類奈米尺度造成的異常性質反而更具有應用價值，例如具有殺菌功能的奈米銀顆粒、具有催化功能的奈米金顆粒等等，一般的銀、金並沒有這些功能。

8-3-3 奈米科技發展 18 of 21 例如同樣是硒化鎘(CdSe)組成的奈米晶粒，在紫光的照射下，粒子的大小不同會呈現不同顏色的螢光，這便是奈米尺寸下造成的光學性質異常，為量子現象的一個例子。 粒子大小由左至右約3nm 到 7nm，利用其發出各色的螢光可應用於生物檢測劑，追蹤特定組織與細胞。

8-3-3 奈米科技發展 18 of 21 自然界中也存在一些奈米現象，例如蓮花效應。意指水在葉面上形成滾動的水珠，能帶走葉面灰塵的一種自潔效應。 奈米級的 精細結構 附著力小 形成水珠

8-3-3 奈米科技發展 19 of 21 總結： 奈米科技是一項跨領域的研究，包括物理、化學、生物、數學、資訊等在內，在人類文明發展史上被稱為： 繼蒸汽機內燃機電子資訊之後的第四波工業革命，對人類生活的福祉有重大而深遠的影響。

8-3-3 奈米科技發展 20 of 21 習題8-3 (18)試計算包含約4000顆原子、粒徑5奈米的金奈米顆粒球，在表面的原子數佔總原子數的多少百分比？若粒徑縮小至2奈米，則一顆金奈米顆粒球內含多少顆原子？又其表面原子數佔總原子數的百分比為何？ 解： (18)6.3％；~256；15.7％

網路資源： 21 of 21 1.AFM、STM圖片 2.奈米科技 http://www.ntmdt.ru/ 2.奈米科技 http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html 3.教育部北區奈米科技人才培育中心 教案分享http://k12n.nano.edu.tw/teaching_index.aspx 4.好好玩物理網 http://home.phy.ntnu.edu.tw/~haha90/content/EXE/special/nano.exe 5.工研院 奈米科技研發中心 http://www.ntrc.itri.org.tw/about/background.jsp