科技與人類 奈米新世界-4 遇 見 蔣 榮 生 義守大學電機系 cjs@isu.edu.tw

K M G T m μ n p Kilo- 103 Mega- 106 Giga- 109 Tera- 1012 Ex: 1 Km= 1,000 m(meter米;公尺) (1 Kilo-meter) m μ n p milli- 10-3 micro- 10-6 nano- 10-9 pico- 10-12 Ex: 1 nm(奈米)= 0.000 000 001 m(meter米;公尺) (1 nano-meter)

Nano-meter奈米—尺寸大小的度量單位

奈(nano)—希臘文“nannos”= little old man 介觀 宏觀世界:微米以上 || 微觀世界:原子(量子)尺度 例子: 油水相溶問題 1 nano-meter = 十億分之一 公尺 ,約是5~10個原子排成一直線的長度 一奈米差不多是十個氫原子並肩排在一起的長度，十奈米大約是人類頭髮直徑的三萬五千分之一，而目前最先進的積體電路其最窄線寬約為一百奈米。

奈米科技:在奈米尺度[0.1(1)~100奈米]下操控物質，以製作、了解與使用具奈米結構的材料、元件及系統的科學技術。 Or 控制奈米尺度物質、材料和系統的技術。(U.S.1D<100nm) 當物質的結構尺寸小到奈米尺度時，其物理、化學及生物性質可能會與較大結構尺寸時大相逕庭。 Moore’s rule Richard P. Feynman 師法自然– self-assembly

科學上看待奈米尺度的主要兩種思考方法 Top down Bottom up

三個因尺寸微縮而產生的效應── 表面效應 小尺寸效應 量子效應

奈米科技發展歷程 1959 Richard P. Feynman:There is plenty of room at the bottom 1981 STM 掃描穿遂顯微鏡 發明 1990 首屆國際奈米科技會議在美國巴爾的摩舉行 1991 奈米碳管CNT 被發現 搬原子寫字 1997 美國利用單電子移動電子 1999 巴西與美國科學家 發明奈米秤 一九九○年，他的想法由科學家在國際商業機器公司（IBM）以35個氙原子 排出IBM三個字母後得到證實。

電子顯微鏡 STM SEM AFM SPM

掃描穿隧顯微鏡 (STM: Scanning Tunneling Microscopy) Binning and Rohrer (1982) The Nobel Prize (1/4+1/4) in Physics 1986 for their design of STM (Ernst Ruska, 1906~1988) The Nobel Prize (1/2) in Physics 1986 for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope. STM原型機示意圖

www.almaden.ibm.com/vis/ stm/images/stm.gif 1990年IBM研究人員首度在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母 。後來，又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字。此結果成為雜誌及國際研討會的封面圖案。 www.almaden.ibm.com/vis/ stm/images/stm.gif STM探針不僅可以將原子、分子吸住，也可以將它們像算盤珠子一樣撥來撥去。科學家把碳60分子每十個一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細杆穿起來，而是沿著銅表面的原子臺階排列的。 (1996年IBM Research Division's Zurich laboratory ) http://www.zurich.ibm.com/news/96/n-19961113-01.html

中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪製出的世界上最小的中國地圖 100 nm 10 nm 金色寶島 綠色矽島 中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪製出的世界上最小的中國地圖 (1)在偏壓上施加一電脈衝，使針尖跟針尖底下的試片表面原子瞬間有一很大的電場。(2)針尖上的原子被蒸發到試片表面上形成一原子團。(3)或是試片表面的原子或原子團被拉出，在試片表面形成空位。 [圖片來源：中研院物理所 鄭天佐] http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/powerpoint1.files/frame.htm

STM之基本架構圖 矽111面7x7原子重構影像 穿隧電流感測器示意圖 壓電 平台 電壓源 d 試片 微探針 導電 高剛性 精密 電流計 It  V e (-Cd) It：穿隧電流 V：施加於探針和試片間的偏壓 C：材料常數 d：探針和試片間的間距 穿隧電流感測器示意圖 壓電 平台 電壓源 d 試片 微探針 導電 高剛性 精密 電流計 It V I ON 電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖像 STM鎢針 矽111面7x7原子重構影像

原子力顯微鏡 (AFM: Atomic Force Microscopy) 掃描式顯微技術提供我們對表面微結構更進一步的了解，STM的發展使試片表面分析的技術達到原子尺度。但是STM的樣品必須是導體，且表面必須平整。AFM的發明，消除STM對試片這些要求的限制。在目前的各種掃描式探針顯微技術中，應用最廣的首推AFM。 AFM以量測原子間凡得瓦力(Van der Waals' Force)為主，來得到表面原子排列的圖像，又可適用於各種的樣品，不分導體或非導體，可以說是，彌補了STM只能用於導體上的缺點。而近年來，許多生物科學家也將AFM的三維影像解析能力，運用於生命科學、生物技術學和奈米分子的研究上。

AFM系統及 其反饋控制器

SPA-300HV多功能可控環境掃描探針顯微鏡 掃描探針顯微術(SPM: Scanning Probe Microscopy) 掃描探針顯微術是在80年代所發展的一種材料表面特性檢測儀器之總稱。其檢測的解析度可達奈米或甚至原子尺寸的等級，並呈現出量測試片表面與次表面的三度空間表面特徵。除了試片的表面形貌外，它亦具有量測試片表面材料特性的功能，如：材料表面之摩擦力(friction)、 撓性(compliance)、電性(electrical)、磁性(magnetic)、熱效應(thermal)、化學性質(chemical)、光學性質(optical)與其他特性。 SPA-300HV多功能可控環境掃描探針顯微鏡

The Millipede(馬陸)- Nanotechnology Entering Data Storage IBM在瑞士Rueschlikon實驗室所發展出來的技術 4 GB/cm2 極薄的聚合底片 30-40 nm 32 X 32 = 1024 AFM 唯一的缺點是讀寫的速度還有待提升。

奈 米 相 關 應 用