8-3 先進材料

先進材料 8-3 8-3.1 半導體 8-3.2 液 晶 8-3.3 導電聚乙炔 8-3.4 奈米尺度與奈米技術 隨著高科技的發展，材料不斷的推陳出新，深遠 地影響著人們的生活。 本節分別介紹半導體、液晶與導電聚乙炔三種材 料，並舉例說明奈米尺度的先進材料。 8-3.1 半導體 8-3.2 液　晶 8-3.3 導電聚乙炔 8-3.4 奈米尺度與奈米技術 2

先進材料 8-3 學習目標： 了解半導體 了解液晶 了解導電聚乙炔 了解奈米尺度與奈米技術 3

半導體 8-3.1 半導體 (semiconductor) 的導電度在絕緣體和導 體之間， 常見的半導體材料有 矽 (Si)、 鍺 (Ge)、 砷化鎵 (GaAs) … …等， 其中以矽的用量最多。 4

半導體 8-3.1 半導體經由電子或電洞的轉移傳輸電流，其導電性可由能帶理論說明。 當價帶上的電子獲得能量，躍遷到傳導帶後，電 子就可自由移動。 三種導電性不同的材料，其價帶如下圖所示： 5

半導體 8-3.1 能帶理論 一般常見的金屬材料： 傳導帶與價帶間的能隙 (energy gap，Eg) 非常小，電子很容易獲得能量而躍遷到傳導帶， 因而易導電； 6

半導體 8-3.1 能帶理論 絕緣材料： 能隙很大， 電子很難躍遷到傳導帶，所以很難導電。 7

半導體 8-3.1 能帶理論 半導體材料： 能隙則介於其間， 可以藉摻雜 (doping) 改變其能隙的間距而使之較 易導電。 8

半導體 8-3.1 n p 矽為 14 (4A) 族元素，有 4 個價電子。 矽原子以 sp3 混成軌域，和另外 4 個矽原子形成共 價單鍵，進而堆積成三次元的立體網狀固體。 如圖： 若在純矽中摻雜少許第 15 (5A) 族的磷或砷，因其 有 5 個價電子，所以當它與矽鍵結時，就會多出一 個自由電子，即為 型半導體； 如果摻雜少許第 13 (3A) 族的硼或鎵，就反而少了 一個電子，而形成電洞 (electron hole)，即為 型半導體。 n p 9

半導體 8-3.1 半導體可用來製造發光二極體 (light - emitting diode，LED) 以及半導體雷射， 其原理是運用半導體的電子，從傳導帶降至價帶 時，以光的形式釋放出能量。 相反的，半導體也可吸收光線，激發價帶的電子 轉換成電能，製造光探測器，用於光纖通訊或是 製作太陽能電池的元件。 利用太陽能電池供電發光的路燈 20110120 半導體奇 e 館 10

範例 8-6 下列有關物質導電性的敘述，何者錯誤？ 半導體的導電性，隨溫度的升高而增大 絕緣體的傳導帶和價帶之能量相差甚大，所以 不導電 下列有關物質導電性的敘述，何者錯誤？　 半導體的導電性，隨溫度的升高而增大　 絕緣體的傳導帶和價帶之能量相差甚大，所以 不導電　 離子固體溶解後，因價帶和傳導帶能量差異甚 小，而能導電　 金屬的導電性通常是隨溫度的升高而降低 金屬的價帶和傳導帶緊鄰在一起而能導電 11

練習題 8-6 下列四種物質， 甲：Ag、乙：S、丙：Si、丁：Si (含 P )， 其傳導帶與價帶之能量差大小順序，何者正確？ 乙＞丙＞丁＞甲 甲＞丁＞丙＞乙　 甲＞丁＝丙＞乙　 甲＞乙＞丙＞丁 丁＞甲＞乙＞丙 12

液　晶 8-3.2 液晶 (liquid crystal) 是一種特殊的相態，具有液 態的流動性，又擁有結晶固態的物理、化學以及 光學特性，20 世紀中葉開始被廣泛作為輕薄型顯 示器的材料。 1888 年，奧地利植物學家萊尼澤 (F. R . Reinitzer) 在加熱苯甲酸膽固醇酯時，發現該物質有特殊的 性質，如下： 在145.5 ℃ 熔化後，產生彩色的混濁物， 然而當溫度升高到 178.5 ℃ 後，光彩隨即消失，呈現透明的液態； 此澄清液稍微降溫冷卻時，又再度出現混濁。 13

液 晶 8-3.2 苯甲酸膽固醇酯分子結構如圖： 可利用此類液晶材料製作成溫度計， 例如： 是由苯甲酸與膽固醇形成的酯類化合物， 液　晶 8-3.2 苯甲酸膽固醇酯分子結構如圖： 是由苯甲酸與膽固醇形成的酯類化合物， 它是最早發現的一種熱致液晶。 所謂熱致液晶是由於溫度變化，在一定的溫度範圍 內呈現出不同液晶相的物質。 可利用此類液晶材料製作成溫度計， 例如： 水族箱溫度計、 幼兒體溫計等。 14

液 晶 8-3.2 自 1970 年代後，採用液晶作為電腦和電視螢幕 的材料，迅即發展。 液　晶 8-3.2 自 1970 年代後，採用液晶作為電腦和電視螢幕 的材料，迅即發展。 因具有體積小、耗電量微、操作電壓低等優點， 並可設計成多色面板，所以產量仍持續增長中， 為主要的顯示器。 15

導電聚乙炔 8-3.3 塑膠性材料的種類繁多，大都為絕緣體，例如：包裹 電線用的塑膠外皮，目的是在防止漏電。 到了 20 世紀末，科學家已研製出像金屬般導電的塑 膠，此舉立刻衝擊塑膠界，並挑戰人們慣性的思維。 2000 年，諾貝爾化學獎頒給 美國物理化學家黑格、 美國和紐西蘭雙國籍的化學家麥克笛米德、 日本科學家白川英樹， 表彰他們對於導電聚合物 (conducting polymer) 的研 究成果。 16

導電聚乙炔 8-3.3 白川英樹首先研發出具有順式與反式兩種結構的 聚乙炔。如圖： 聚乙炔的製造法是： 聚乙炔的摻雜法有： 在－78 ℃ 時，將乙炔溶於甲苯或正己烷裡， 再加入戚格勒-納他 (Ziegler-Natta) 催化劑即可獲得 順式聚乙炔。 若提高溫度到 150 ℃ 時，可完全轉化成更穩定的反 式聚乙炔。 聚乙炔的摻雜法有： 以碘氧化的 p-摻雜， 以鈉還原的 n-摻雜。 17

導電聚乙炔 8-3.3 由於聚乙炔結構擁有共軛雙鍵，其電子不受原子 束縛，能自由移動， 經過摻雜後，可移走電子生成電洞； 或添加電子，使得電子或電洞在分子鏈上自由移動，而呈現導電性。 聚乙炔的導電性相當於半導體，經過摻雜作用後 的導電性更好。 半導體或導電性塑膠擁有高度的經濟價值，主要 在於它們容易製造和加工，並且價格便宜。 例如：塑膠製的電子零件、觸控面板、積體電路 等，早已席捲了整個消費市場。 非凡電視-台灣發明王 9-1 (抗靜電的玉米塑膠) 18

範例 8-7 導電聚乙炔的合成使得高分子材料進入「合成金屬」、 「塑膠電子學」與「碳半導體」的時代。下列有關導 電塑膠的說法，何者正確？ 導電聚乙炔的合成使得高分子材料進入「合成金屬」、 「塑膠電子學」與「碳半導體」的時代。下列有關導 電塑膠的說法，何者正確？　 聚乙炔的結構式為 導電性塑膠有可能替代輸電線路中的鋁或銅　 在家用電器中，導電性塑膠只能作為導線材料　 導電性塑膠製品不易被氧化劑氧化 塑膠的結構裡只要有 π 鍵就可導電 19

練習題 8-7 下列敘述，何者正確？(多重選擇題) 乙炔可以作為合成聚乙炔的單體 聚乙炔是一種熱固性塑膠，結構類似石墨烯 下列敘述，何者正確？(多重選擇題)　 乙炔可以作為合成聚乙炔的單體 聚乙炔是一種熱固性塑膠，結構類似石墨烯　 聚乙炔不易被酸性的過錳酸鉀溶液氧化　 聚乙炔中，所有碳原子皆是 sp 混成軌域 聚乙炔中，碳原子的含量百分率與苯相同 20

奈米尺度與奈米技術 8-3.4 10－9 奈米是長度單位，其大小為 公尺， 奈米尺度 (nanoscale) 是指介於 奈米 間的尺度。 奈米是長度單位，其大小為 公尺， 奈米尺度 (nanoscale) 是指介於 奈米 間的尺度。 為幫助人們想像和區別奈米尺度的物質，美國能 源部特別繪製出肉眼可觀察到約 5 毫米的螞蟻， 到需用原子力顯微鏡才能觀察出奈米尺度的 DNA 分子。 自微觀到奈米尺度間，天然物質與人造物質的對 照，如圖： 10－9 1 ～ 100 21

奈米尺度與奈米技術 8-3.4 奈米技術 (nanotechnology) 是研究奈米尺度物質如 何製造、鑑定其特性及應用的科技。 當顆粒變小時，物質單位體積的表面積稱為比表面 積 (specific surface area) 就會變大， 到奈米尺度時，比表面積就變得更大，其物理性質 與一般尺寸宏觀的物質不同，能凸顯出迥異、嶄新 的特性， 例如： 鋁由穩定材料變成極易燃燒的奈米鋁； 金在室溫由固態變成奈米金粒子，以液體狀態存在； 矽則由半導體變成導體的奈米矽。 22

奈米尺度與奈米技術 8-3.4 因此，可製成奈米尺度的物質，將它們所擁有的 獨特優異性，應用在需求特殊的器具上。 例如：具奈米結晶的陶瓷材料，相較於一般陶瓷 材料，則具有較大的延性及展性，與較不易碎裂 的特性。 23

奈米尺度與奈米技術 一.奈米金 8-3.4 本小節僅介紹常用的奈米金與奈米銀： 奈米金的製法： 將金溶解於王水中，生成四氯金酸 (H[AuCl4])， 再用不同濃度的檸檬酸鈉 (C6H5O7Na3) 還原， 即可製得不同奈米尺度的膠體金， 當加入檸檬酸鈉的濃度愈大時，所生成奈米金粒子 的半徑愈小，反之亦然。 自然期刊專訪 林政鞍台灣第一人 24

奈米尺度與奈米技術 一.奈米金 8-3.4 本小節僅介紹常用的奈米金與奈米銀： 奈米金的性質有別於金，金不易與其他物質反應， 且具有強抗腐蝕性，而奈米金則易與蛋白質結合。 奈米金能治療類風溼性關節炎，作為藥物的載體、 腫瘤檢測等。 在其他的應用方面，由於奈米金能作為催化劑， 加速一氧化碳氧化成二氧化碳，所以可製成防毒 面具，避免一氧化碳中毒。 25

奈米尺度與奈米技術 二.奈米銀 8-3.4 奈米銀早已深入日常生活中，用來作為抗菌製品， 例如：奈米銀的口罩、奈米銀的繃帶、奈米銀的襪 子等。 奈米銀的抗菌機制是藉由奈米銀表面的銀原子，在 溶液或空氣中易失去電子，因此奈米銀的表面含有 高比例的銀離子。 因為銀離子由奈米銀的表面釋出後，可穿透細菌的 細胞膜，進入細菌體內，與酶蛋白上硫醇基 (－SH) 的硫鍵結，進而抑制細菌 DNA 和 RNA 的複製。 26

奈米尺度與奈米技術 二.奈米銀： 8-3.4 運用銀離子殺菌，不會造成細菌的抗藥性。 因此，可將奈米銀添加於棉花、紗布中，或與纖維製成複合材料，製作抗菌布、口罩、內衣及襪子等，這些都是時下正夯的抗菌用品。 由上可知，奈米技術為生活帶來了多項便利，同時也隱含了些許的隱憂。 由於奈米微粒，小到能進出細胞膜，可能會對細胞造成影響。 而奈米材料若長時間、廣泛的被使用後，對於環境與生物體的衝擊，將是無法預料的。 因此奈米技術進展所可能帶來的負面影響，是需要大家重視與防範的。 27

範例 8-8 當材料微粒的直徑接近或小於 1 奈米時，性質就會出 現奇特的現象，例如：不同的金屬塊具有不同顏色， 但很多金屬微粒達到奈米時，就變成黑色。研究發現 奈米氧化鋅等能吸收雷達電磁波，作為製造隱形飛機 的塗料。下列敘述，哪些正確？　 材料在塊材中或奈米尺度下，其原子性質不同 銅微粒達到奈米時就變成黑色　 照像底片呈黑色，顯示上面的銀微粒為奈米級　 隱形飛機是肉眼看不到的飛機 奈米銀微粒植入內衣布裡，有奇特的抑菌、殺菌效 果 28

練習題 8-8 下列有關奈米技術的應用，何者錯誤？(多重選擇題) 以奈米陶瓷製成的汽缸，耐高溫且不易磨損及碎裂 下列有關奈米技術的應用，何者錯誤？(多重選擇題)　 以奈米陶瓷製成的汽缸，耐高溫且不易磨損及碎裂 馬桶的陶瓷表面經過奈米處理後，具有防汙功能　 使用奈米銀殺菌，會使細菌產生抗藥性　 因為奈米二氧化鈦於照光後具有殺菌效果，所以是 一種催化劑 奈米金製成的防毒面具，為勻相催化反應 29

學習成果評量 解答 在催化劑的存在下，將乙炔分子聚合可得到聚乙炔高 分子，經摻雜後，其導電度可媲美金屬。聚乙炔的結 構如下圖： 在乙炔與聚乙炔中，碳原子各具有何種混成軌域？ 乙炔的衍生物苯乙炔可形成具有導電性之聚苯乙 炔，寫出苯乙炔的結構式。 解答 乙炔與聚乙炔的碳原子分別使用 sp 及 sp2混成軌域。 苯乙炔的結構式為 30

本章摘要 CH8 8-1 聚合物 加成聚合反應是在聚合過程中，除了聚合物之外， 沒有其他的副產品產生； 即不損失任何的原子或分子。 8-1 聚合物 加成聚合反應是在聚合過程中，除了聚合物之外， 沒有其他的副產品產生； 即不損失任何的原子或分子。 縮合聚合反應是許多相同的或不同的雙官能基分 子相互結合時，脫去小分子的反應。 同元聚合物是只由一種單體聚合而成的聚合物。 共聚物是含有兩種或兩種以上單體成分的聚合物。 31

本章摘要 CH8 8-1 聚合物 熱固性塑膠為網狀聚合物，質地堅硬，固化成型後，再受熱，不易熔化變形。 8-1 聚合物 熱固性塑膠為網狀聚合物，質地堅硬，固化成型後，再受熱，不易熔化變形。 熱塑性塑膠為鏈狀聚合物，降溫凝固後，可再加熱熔化，重新塑造，因此可回收再利用。 32

本章摘要 CH8 8-2 生物體中的大分子 蛋白質是由許多 α-胺基酸分子，藉著肽鍵連結 而成的聚醯胺分子。 8-2 生物體中的大分子 蛋白質是由許多 α-胺基酸分子，藉著肽鍵連結 而成的聚醯胺分子。 酵素又稱為酶，是生物體內的催化劑，被酵素催 化的反應物稱為受質。 核苷酸是構成 DNA 和 RNA 的單位。 DNA 的含氮鹼有腺嘌呤 ( A )、胞嘧啶 ( C )、 鳥糞嘌呤 ( G )及胸腺嘧啶 ( T ) 。 DNA 結構中，A 與 T 間以兩個氫鍵相互吸引， G 與 C 間以三個氫鍵相互吸引，而形成雙螺旋 結構。 RNA 的含氮鹼有腺嘌呤 ( A )、鳥糞嘌呤 ( G ) 、 胞嘧啶 ( C ) 及尿嘧啶 ( U ) 。 33

本章摘要 CH8 8-3 先進材料 13. n 型半導體是在純矽中 摻雜少許第 15 (5A) 族的磷或砷。 8-3 先進材料 13. n 型半導體是在純矽中 摻雜少許第 15 (5A) 族的磷或砷。 14. p 型半導體是在純矽中 摻雜少許第 13 (3A) 族的硼或鎵。 液晶是一種具有液態的流動性，又擁有結晶固態性質的物質。 聚乙炔的摻雜法有以碘氧化的 p-摻雜， 以及以鈉還原的 n-摻雜。 奈米是 10－9 公尺，奈米尺度是指介於 1 ～ 100 奈米間的尺度。 34