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第三節 奈米科技 尺度 1nm 奈米＝ 10 － 9 m 米＝ 10Å 埃
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研究微觀 microscopic 世界現象則可簡稱為微觀物理， 以量子力學為代表，量子效應無法忽略 奈米結構的大小約為 1 到 100 奈米，尺度在分子和次 微米結構之間。在此尺度下，一些量子效應與現象 特別顯著，所以，奈米結構可產生完全不同於大尺 寸物質的新性質。 奈米結構的特徵之一為「高表面積／體積比」
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奈米材料： 指材料的幾何形狀達到奈米尺度，並具有特殊功能的材 料，其主要類型包括：奈米粒子、奈米管、奈米薄膜、 奈米塊材等。奈米材料的製作亦可分為兩種方法 1. 由下而上的次微米組合法 2. 由上而下將大結構鑿刻為小結構以創造出實體的方法。 奈米科技大致可以分為三個領域
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High-density carbon nanotubes
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例 金塊的熔點為 1063°C ，且活性不高，而直徑 5nm 的奈 米金粒，熔點降為 730°C ，且化學活性提高可作為觸 媒。 TiO 2 的粒子直徑由微米小至奈米大小時，導電能力提 高 60 倍。
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顏料顆粒小至奈米等級可提升顏色強度更 為鮮豔，甚至同一材質但不同顆粒大小即 可顯出不同顏色 硒化鎘在不同粒徑下的產色
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奈米元件： 以分子、原子為起點，製造具特殊功能的元件。為製造 具特殊功能的元件，大體有兩種方法： 1.“ 由上而下 ” Top Down 技術係利用微加工等方法，將元件 不斷微小化， 2." 由下而上 " Bottom Up 技術操控分子、原子，按照人類的 意願進行設計與組裝。
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耐熱材料 因為孔洞小至 10nm ，雖僅 1cm 厚，卻能使扶桑花不受到下端 800°C 火焰的烘烤而燒毀
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晶圓上的線路奈米吉他
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蓮花效應 指蓮葉表面不沾汙，易清潔的特性，是由於其表面絨毛大 小接近奈米等級，使得灰塵及液滴與葉面的接觸面積很小， 因而不易沾附在葉面上。
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奈米檢測與表徵技術： 為了在奈米尺度上研究元件和材料的結構與性質，必須建立 奈米檢測與表徵技術，以研究各種奈米結構的力、光、電、 磁等性質。 電子掃描穿隧顯微鏡（ＳＴＭ） 原子力顯微鏡（ＡＦＭ） 近場光學顯微鏡（ＳＮＯＭ）
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掃描穿隧顯微術 （ Scanning Tunneling Microscopy ） 源於 1980 年代初期，能解析出晶體表面的原子結構及電 子分佈情形，發明人 G. Binnig 及 H. Rohrer 於 1986 年獲頒 諾貝爾物理獎。此技術有效並穩定地操控金屬探針，且 利用量子力學的電子穿隧原理，藉探針在距樣品表面僅 約幾個原子大小的範圍內來回掃描，讓原子的排列具體 地呈現，有助於我們從基本層面來瞭解許多物理及化學 現象。此外，也展示了搬移原子的能力，同時也能人為 地改變電子量子化的狀態，使製造原子級的材料和元件， 已不再只是夢想。
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原子力顯微鏡（ＡＦＭ） atomic force microscope 由 Binnig 、 Quate 和 Gerber 於 1986 年提出。利用特製 的 微小探針，來偵測探針與樣品表面間的某種交互 作用，然後使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器， 使探針在樣品表面來回掃描偵測，並利用此掃描器的 垂直微調能力及回饋迴路，讓探針與樣品間的交互作 用在掃描過程中保持一定距離 ( 約 10-10m) ，只要紀錄 掃描面上每一點的垂直微調距離，便可獲得樣品表面 的等交互作用圖像，進而推導出樣品表面特性。
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UHV AFM Image of NaCl (100) on Mica. Picture
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近場光學顯微鏡（ＳＮＯＭ） Scanning Near-Field Optical Microscopy 近場光學是相對於遠場光學 遠場光學指光與所照射目標間的距離遠大於使用光波的波長，以 進行光學的量測、觀測或光學作用，但受到光的繞射極限限制。 近場光學技術，是在遠小於光波波長的距離下，進行光學的量測、 記錄或讀寫。讓光的波動行為在尚未開始展現的極近距離內，就 已達成光學記錄與讀取的目的。 近場光學不僅可避開光的「繞射極限」的限制，還能進行超高解 析度、超高辨識力的光學量測、觀測的目的。
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與電子掃描式顯微鏡 ( AFM 、 STM ) 之比較 非破壞性量測 ─ 可偵測到真實的表面空間 ( Real Surface Measurement ) 樣品不需繁複的製備手續 無須在真空中作檢測 具有其他光學性質的優點
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奈米科技在各領域 環境與能源 奈米科技在能源效率、儲存及生產上具有潛在巨大的衝 擊，例： 奈米催化劑的使用，可大幅提升化學工業的產能。 介孔性材料其孔隙大小約為 10~100 nm ，廣泛的應用 在石油工業上，以移除微細之污染物。 以奈米粒子強化高分子材料可取代結構金屬元件在汽 車工業之應用。 奈米尺度之無機黏土或高分子材料可製造更環保、更 耐磨的輪胎。
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生物科技與農業 生命的基本元素，如蛋白質、核酸、脂、質醣 等，皆因其在奈米尺度上之大小、型態的不同 具有獨特的性質。 生物合成與生物製程，提 供新的方法製造新的化合物及藥物。而奈米技 術對農業發展上的直接幫助有：奈米分子工程 化合物可滋養農作物及防蟲、動植物的基因改 質工程、動物體內基因及藥物的傳送，奈米陣 列的 DNA 檢測科技。
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醫藥與健康 生命系統係由奈米尺寸的分子行為所控制，而目前化學、物理、 生物及電腦模擬等學門皆匯流在奈米尺度上的發展，此一跨領域 跨學門的趨勢，可刺激奈米生物科技的發展，其具潛力的應用包 括： (1) 快速有效的基因序列可在診斷與治療產生革命性的影響。 (2) 使用遙控或及時活體元件有效及更便宜的醫療照顧。 (3) 新藥物的配方或輸送途徑。 (4) 更耐久之人工組織或器官。 (5) 視力或聽力輔助。 (6) 偵測新興人體疾病之感測系統
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奈米電子及電腦技術 新巨磁阻現象的發現在未來十年內，奈米技術將完全取代舊有 的電腦磁記錄磁頭技術。其他有潛力的突破包括： (1) 奈米結構的微處理元件，將持續低能量使用與低成本的發 展趨勢，因此將提高電腦之效率達百萬倍。 (2) 具高傳輸頻率及高效用之光譜的通訊系統以增加提供至少 十倍以上之頻寬，將可應用於商業、教育、娛樂及國防。 (3)1000GB 容量的小而輕的儲存元件，其功能將超過目前達千 倍。 (4) 具體積小、質量輕、省能源特性之積體奈米感測器系統， 其具有收集、處理、通訊大量資訊的功能。
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奈米科技產品
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