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)。

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。)

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。

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 利用AFM，所得到的矽晶體表面原子排列圖像。 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 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。 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 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。。

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。

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。

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