为什麼要奈米结构

1、為什麼要奈米結構？為什麼要奈米結構？奈米粒子的特性奈米粒子的特性：=3N4EF-3 : : 能階間距能階間距 : : 粒徑粒徑量子尺寸效應：量子尺寸效應：奈米微粒之光、電、磁、熱、聲及超導電性與其巨觀特性有顯著不同Ex. bulk Si發紅外光，但粒徑小於6 nm時發可見光；bulk銅為好導體而 奈米銅為絕緣體小尺寸效應小尺寸效應粒子變小 光吸收增加、磁有序態變磁無序態、超導相變正常相。Ex. bulk鐵為順磁性、10 25nm的鐵coercive force為bulk鐵的1000倍， 而小於10 nm的鐵為超順磁性表面與界面效應表面與界面效應粒子變小 表面與界面增加 活性增加。Ex. bul

2、k金熔點為1063oC，而2 nm的金熔點為327oC 巨觀量子穿遂效應巨觀量子穿遂效應奈米顆粒的磁化強度與磁通量均具有穿遂效應，影響磁儲存量與存儲時間奈米材料之應用領域奈米材料之應用領域光光光學纖維、光反射材料、吸波隱形材料、光過濾材料、光儲存、光開關、光發光材料、非線性光學材料、紅外光感測器、光折變材料。電電導電漿料、電極、超導體、量子元件、壓敏電阻、非線性電阻、靜電屏蔽。磁磁磁流體、磁記錄、永磁材料、磁儲存器、磁光元件、磁探測器、磁致冷材料、吸波材料、細胞分離、智慧材料。力力超硬、高強、高韌、超塑性材料。熱熱耐熱材料、熱交換材料、低溫燒結材料。其他催化性能、醫學（消毒殺菌、藥物載體）能源

3、（電池材料、 儲氫材料）環保（廢棄物處理）助燃劑、油墨、潤滑劑。奈米材料科學是跨學門的研究奈米材料科學是跨學門的研究 電機電機化學化學光電光電生物生物資訊資訊物理物理化工化工奈米世界奈米世界何謂奈米：一種長度單位等於10-7公分。 （人髮直徑20 50 x 103奈米）何謂奈米材料：指固體物質它其中至少有一度空間的大小 是在1100奈米之間。一度空間是在奈米尺寸：奈米層兩度空間是在奈米尺寸：奈米線三度空間都是在奈米尺寸：奈米（微）粒何謂奈米結構材料：指奈米材料或固體材料中有奈米性質區塊 或奈米結晶區塊。何謂奈米結構科學：奈米結構材料、奈米大小的元件合成、結構 分析與性質探討。何謂奈米技術：精確

4、操縱測試奈米材料的方法或奈米大小元件 之製備、分析與性質測試的技術。何謂奈米結構科技：奈米結構科學與奈米技術的總和奈米技術奈米技術定義： 精確操縱測試奈米材料的方法或奈米大小元件 之製備、分析與性質測試的技術核心技術 量子力學理論：進入原子的世界 觀察原子：精密儀器 （SPM） 移動原子：瞭解並操縱原子 (SPM) 用原子噴繪:瞭解並操縱原子 (MBE) 分子自組裝:瞭解並操縱分子 影響層面 材料與製造業: 節省成本製造聰明材料 電子學與電腦業: 速度更快功能更高的小巧產品 醫學與健康: 促進細胞學與病理學的基礎研究 增強藥物治療效率 環境與能源: 高效率的污染物處理與能源應用 生物學與農業:

5、 動植物的基因改良DNA測試與藥物傳導 國家安全: 資訊上的優勢、國訪設備的領先及戰鬥力的增強奈米結構科技奈米結構科技Building blocksatomsnanoparticleslayersnanostructuresassemblydispersions and coatinghigh surfacearea materialsfunctional nanodevicesconsolidatedmaterialsRef: Defined by WTEC (World Technology Evaluation Center)SynthesisDispersion and coating

6、1. Nanocrystalline materials2. Zeolitic materials3. Carbon nanotubeHigh surface area materials1. Cosmetics2. Medicine/Pharmacology3 Microelectromechanical systems4. Printing5. Semiconductors6. Sensors Functional devicesNanometer0.11.010100100010000MicroscaleNanoscaleatomstransistorsmoleculesnanotube

7、sfiled emitter SETstransistorCMR layer RAMquantumdots lasersfield emittersBio-moleculesConsolidated materials: Bulk nanostructured materials: nanocompositesNanoscale grain sizes after consolidation powder (WC/Co)Alloys with nanoscale microstructure (Al/Ni, Fe-Si-B-Nb-Cu)Multiphase ceramic nanocompos

8、ites (Al2O3/SiC)Biomolecules Ref: WTEC Panel reportOrganic nanostructure (non-biomolecule)Organic-inorganic nanocompositesNano organic-inorganic hybrid materialsNano core-shell structured materials1. 奈米材料的晶相或非晶質排列結構與一般相同材料在塊 材中之結構不同。 2. 奈米材料具有與一般相同材料在塊材中不同之性質，如光學、磁性、熱傳、 擴散以及機械等性質。 3. 由於奈米結構材料，仍有許多的化

9、學性質及物理性質，諸如材料強度、模數、 延性、磨耗性質、磁特性、表面催化性以及腐蝕行為等，會隨著粒徑大小不 同而發生變化，而這些有趣的特性及深具潛力的應用價值。 4. 在催化性質方面，由於奈米粒子體積非常小，材料表面原子與整體材料原子 的個數比例值就變得非常顯著，而固體表面原子的熱穩定性與化學穩定性都 要比內部原子要差的多，所以表面原子的多寡代表了催化的活性，即大表面 積是一個好觸媒材料的基本要素。如Fe / ZrO2奈米觸媒可提升COH2反應成烴類的催化能力。 5. 在光學性質上，當材料尺寸小至某一程度，此時奈米材料會有量子限量化的 效應(quantum confinement effect

10、)，量子點(quantum dots)會像原子與分子 一樣具有不連續的能階，且變化粒子大小時，能隙(energy gap)也會因粒子大 小不同而不同，如圖二所示，這代表了它們可能在光學性質上亦有不尋常的差 異。另外由於奈米粒徑小於一般紫外光、可見光或紅外光波長，所以造成粒子 對光的反射及散射能力大減，因此如Al2O3、-Fe2O3、TiO2等奈米材料均可作透明及隱身的材料。 奈米材料的特性奈米材料的特性不管是物理性質或是化學性質，奈米材料性質均與塊材不管是物理性質或是化學性質，奈米材料性質均與塊材(bulk materials)(bulk materials)有著相當大的差異性。有著相當大的差

11、異性。6. 在磁性方面，奈米鐵、鈷、鎳合金具有強的磁性，且其訊雜比極高。此外粒 子間磁性的互相干擾極弱，利用適當的表面活性劑，將其分散於液體時可成 為強磁性的磁流體，其應用於鐵性雜質的連續分離。 7. 在複合材料方面，奈米材料的加入，可以提昇材料的剛性、抗拉、抗折、耐 熱、自身防燃性等性質，如加入少許粘土於尼龍與聚亞醯胺，可以使吸濕性 改善，可降低一半水氣的穿透性。 8. 在感測方面，奈米粒子所製成的感測器，由於表面活體性增加造成訊號敏感 性變強；另一方面，粒徑小導致孔隙度縮小，導致訊號傳遞迅速不受干擾， 大大增強訊雜比。 9. 在電子傳遞方面，例如半導體量子線(quantum wires)會有電導量子化現象， 使得傳統導線歐姆電阻觀念不再適用，奈米級的絕緣層性質也會因電子穿隧 現象(tunneling effect)而失去絕緣功用，超微小結構的電容量非常小，一 個電子進去就會改變它的電位等，最後如磁性、機械性、熔點等其他物理化 學性質，奈米材料均亦與塊材有著全然不同的性質。 奈米材料的特性奈米材料的