导电的金属材料在奈米尺度下课件

(a)矽（或鍺）晶體的立體結構，每一個原子的周圍各有四個相鄰的原子，與之形成共價鍵。(b)平面化簡圖，晶體內各原子的排列整齊有序，每一對相鄰的原子，共用一對電子形成共價鍵。一共價鍵上的價電子沿實線方向填補另一共價鍵上的電洞，其結果相當於電洞沿著虛線的方向從一個共價鍵移至另一個共價鍵。自由電子則可在原子間的空隙中自由移動。半導體內的自由電子和電洞同樣地承擔導電的工作。在純矽（或鍺）的晶體內，自由電子和電洞的數目相等。n型半導體的晶體結構平面圖。部分矽原子的位置為摻入的砷原子所取代。砷原子有五個價電子，其中四個和鄰近的矽原子形成穩定的共價鍵，剩餘的一個價電子所受的束縛力非常微弱，成為自由電子。(b)用於描述n型半導體電學性質的理論模型，在中性矽原子的介質背景中，均勻地散布固定的帶正電的施體離子，自由電子在這些正離子的周圍運動。p型半導體的晶體結構平面圖。部分矽原子的位置為摻入的硼原子所取代。硼原子有三個價電子，尚差一個電子，才能和鄰近的四個矽原子形成穩定的共價鍵。因此其中的一個共價鍵欠缺一個電子而形成電洞。(b)用於描述p型半導體電學性質的理論模型，在中性矽原子的介質背景中，均勻地散布固定的帶負電的受體離子，帶正電的電洞在這些負離子的周圍運動。p-n接面二極體的結構

p-n接面二極體在斷路時的內部電荷的分布情形。接面附近形成空乏層，為沒有自由電子和電洞的區域，其內的固定電荷為半導體內摻入的施體和受體所形成的離子。空乏層的內建電場，阻止p邊的電洞和n邊的自由電子穿過接面，進行擴散。這些多數載子必須有足夠的能量，以克服內建電場的阻力，才能由一邊擴散入另一邊，形成擴散電流Id；但是少數載子則不同，只要能闖進空乏層內（可能藉由熱運動），就會被其內建電場所吸引而被掃入另一邊，形成漂移電流Is。當二極體處於斷路狀態時，Id＝Is。p-n接面二極體受到正向偏壓時，內部電荷的流動情形。整個電路呈通路狀態。空乏層內的淨電場減小，其寬度縮小，因此由多數載子形成擴散電流Id，大於由少數載子形成的漂移電流Is。p-n接面二極體在反偏壓時，其內部電荷的分布情形。空乏層內的淨電場增大，其寬度變大，擴散電流Id幾乎為零，漂移電流Is成為主要電流。但是Is非常小，普通電表不易測出，可視為零，故電路處於斷路狀態。二極體的電路符號（上圖）和對照的實體結構（下圖）。二極體具有整流的功能，能把交流電壓轉變為直流電壓。習題16(a)(b)(c)亮不亮亮習題17答:A,C習題18:雙極性電晶體和場效電晶體有何不同之處？1.兩者結構不同2.雙極性電晶體內的電流載子有兩種，但場效電晶體僅有一種。3.雙極性電晶體是以電流來控制電流，反應速度快，但相當耗電；場效電晶體以電壓控制電流，反應較慢，但非常省電。

當物質小到奈米尺度時，其物理、化學及生物性質均會改變。(1)不導電且易脆的陶瓷材料，在奈米尺度下，變得既導電又具延展性。(2)導電的金屬材料，在奈米尺度下，導電度可下降。(3)油溶性的藥物，在奈米尺度下，可變成水溶性。(4)不透明的材料，在奈米尺度下，可變得透明。

所謂奈米科技就是指在奈米尺度（100nm～1nm）上研究物質技術發展的科學奈米科技

奈米科技-自然界的奈米(1)自潔效應──荷葉的疏水性奈米尺寸的纖毛，具有自潔的功能，使荷葉表面不沾汙泥、灰塵。(衛浴設備的製造商將奈米級的釉藥，塗在衛浴用的陶瓷表面上，具有防汙的效果，也是一種自潔效應的運用。)

(2)蜜蜂體內有磁性的奈米粒子，具有羅盤的作用，因此蜜蜂可以辨識方向。奈米科技-工業界的奈米材料(奈米碳管)1.密度是鋼的六分之一，但抗張強度卻是不鏽鋼的十至一百倍。2.導電能力取決於其結構，有些和金屬相當，有些則如同半導體。3.導熱能力和傳熱的方向有關，若熱沿平行於中心軸的方向傳播，則為熱的良導體，其在室溫時的導熱係數比銅高出約十五倍；若垂直於中心軸的方向，則為熱的絕緣體。4.奈米碳管的鍵結能力極佳，彼此很容易結合在一起，形成繩索狀。5.奈米碳管被認為將是未來最佳纖維的首選材料，有可能被廣泛用於超微導線、超微開關、以及奈米級的電線等。奈米科技-自然界的奈米圖13-35懸浮在膠體溶液中的硒化鎘（CdSe）奈米晶粒，圖中粒子的直徑自左至右約3nm至7nm。上圖在紫外光的照射下，會因粒子大小的不同而呈現不同顏色的螢光；下圖為室內照明下所呈現的顏色。電子顯微鏡鑑別距離──1.人類眼睛最小鑑別距離為0.1mm。

2.光學顯微鏡最小鑑別距離為0.2μm。

3.掃瞄式電子顯微鏡（SEM），最小鑑別距離為3nm。

4.掃瞄穿隧顯微鏡（STM），最小鑑別距離為0.02nm。掃描探針顯微術（SPM)「掃描穿隧顯微鏡」（STM）---僅限於可導電的晶體表面「原子力顯微鏡」（AFM）---可適用於任何物體的表面。掃描穿隧顯微鏡（STM）一根具有極細針尖的金屬探針（通常使用鉑、鎢、或鎳製成），固定在壓電圓筒註的底部，利用該圓筒的壓電特性，可使針尖極為靠近可導電的晶體表面，在兩者之間施加電壓差，結果針尖上的原子和最靠近的晶體原子之間，產生微小的電子流（稱為穿隧電流）。此電流的大小隨兩原子間距的減小，而急劇地變大。因此在掃描時偵測此電流的變化，或控制此電流不變，但調整針尖的高度，利用電腦可將針尖位置和對應的電流訊號轉換成晶體表面的原子排列圖像。掃描穿隧顯微鏡的原理示意圖，右上方為鎢絲探針的電子顯微鏡圖像。

利用STM顯微技術，可清楚地顯現出白金晶體表面所吸附的碘原子（標示為紫色的半球狀）的排列圖像。掃描面積的長寬各為2.5nm。原子力顯微鏡（AFM）AFM的工作原理如圖13-30所示，應用微影術，在矽晶體上作出一支頂端附有探針的懸臂，針尖極細，形狀如圖13-31所示。當針尖極為靠近晶體表面時，由於針尖上的原子和最靠近的晶體原子之間，有原子力的交互作用，使得針尖產生向上或向下的微小位移，視兩原子間產生排斥或吸引力而定，其大小和兩原子的間距有密切的關係。入射在探針背面的雷射光束，可以測知此微小的變動，配合掃描控制裝置，利用電腦可將探針位置和對應的原子力變化量，轉換為晶體表面原子的排列圖像。圖13-30原子力顯微鏡（AFM）的工作原理示意圖。(a)(b)(c)利用微影蝕刻技術，在矽晶體上所製出的(a)AFM懸臂、(b)圓錐形探針、和(c)探針尖端的電子顯微鏡圖像。掃描探針顯微術（SPM)的應用一、不僅用於顯示原子圖像，也可用於驅動或操控原子，可稱為奈米科技研究的推手。

利用掃描穿隧顯微鏡的針尖，逐個驅動直徑小於一奈米的碳六十球形分子（C60，又稱為巴克球），構成世界