4F 奈米科技發展研究室Nanotechonology R&D Labortory

4F 奈米科技發展研究室管理者 ->->->　李顯億老師

研究室網址：http://www.en.ctu.edu.tw/elec/Cht/envi_apparatus/Dev_Lab.php?DLNo=7

■研究室簡介

一、何謂奈米尺寸：

　奈米Nano來自希臘字的接頭語，表示十億分之一。奈米(nanometer,10^-9 m)即為一公尺的十億分之一，約是人類頭髮直徑的百分之一，10倍於氫原子直徑大小（10^-10 m），與目前半導體製程使用之單位μm（micrometer,微米），差1,000倍。

二、國際奈米材料和科技的商業應用時程預測：

1999 ~ 2004 年
5 年

2005 ~ 2009 年
5～10 年

2009 年以後
10 年後

醫藥
•	降低製程尺寸和規模

電子元件
•	CMOS 100nm 線寬
•	MOSFET
•	SOI

DNA
•	1D、2D DNA 週期性系統

積體電路
•	單電子電晶體
•	記憶和邏輯裝置

•	原子、分子和原子團的處理和自我組成及量子邏輯裝置
•	分子電子元件
•	奈米機器人
•	奈米光子晶體
•	電子鼻
•	積體生化和化學感測
•	微機電感測器和作動器

奈米世界是一個神奇、美麗變幻、多樣、新奇，令人嘆為觀止的世界。
例如：

<>n奈米銅材	銅是「良導體」，而奈米銅是「絕緣體」。
<>n奈米瓷材	瓷器是「易碎品」，而奈米瓷器材料「可在室溫下任意彎曲」。
<>n奈米碳管	奈米碳管的強度是「鋼的100倍」。科學家們發現，在奈米尺度上，物質表現出種種「新穎的現象、奇特的效應、特異的性質」。
<>n奈米織物	奈米紡織品不但質地細密、通風透氣性佳，並且防水、防污，常保衣物亮麗如新。
<>n奈米玻璃	以奈米技術製成的玻璃，吸收自然光照後，會產生一塵不染的「自淨」作用。
<>n奈米輪胎	以奈米粒子加強的輪胎，不但耐磨，使得輪胎壽命增大，並且可「直接再生」。
<>n奈米光碟	奈米光碟的超大容量，是一般普通光碟容量的「一百萬倍」。
<>n奈米顯示器	「薄如紙片」，耗電量極低，並可以捲曲，便於攜帶。
<>n奈米記憶體	可以將大英百科全書儲存於「針尖」大小的體積，亦可把美國國會圖書館的全部藏書，儲存於「方糖」般大小的體積中。
<>n奈米硒	只有20～60 nm，它比病毒 (60~250 nm) 還要小，可在對正常組織細胞絲毫不損害的情形下，殺死癌細胞，有效抑制腫瘤生長。
<>n奈米DNA技術應用	可開發出更快速分離DNA和基因排序的技術。
<>n奈米電池	奈米「碳纖素電池」，可以大幅提高電量，使電池壽命長

　全球視奈米技術為下一波產業技術革命，它是製造科技下一階段的核心領域，美國、日本及歐盟均已積極展開相關佈局工作，每年約投入4~5億美元進行研發，目前美國在奈米結構與自組裝技術、奈米粉體、奈米管、奈米電子元件及奈米生物技術，德國在奈米材料、奈米量測、及奈米薄膜技術，日本則在奈米電子元件、無機奈米材料領域已具優勢。對台灣而言，奈米科技是競爭力更上層樓的關鍵機會，奈米科技的發展將有絕大機會把台灣產業從代工層次升級到自我創新的地位，引起一波產業升級潮流。

三、建構奈米科技發展研究室的目的：

1.	促進特色發展研究室成員老師間的合作研究，以帶動研究風氣。
2.	指導學生作論文與專題研究，以提升建國科技大學的研究水準。
3.	藉由奈米科技的創新應用及提昇研究水平，並透過產學合作以協助中小企業提昇生產技術及創新產品研發，並培訓學生職場工作能力，增加就業機會。

■教授研究群

◎ 管理老師
	助理教授 ─ 李顯億

◎ 其他教授
	竭誠歡迎各位先進不吝指導!!

■研究室成員

徵全職研究生

■研究方向及成果

一、國內外相關奈米製程技術

A. 奈米光觸媒：

　　光觸媒反應的原理如上圖所示，藉由紫外光或太陽光的照射，使觸媒表面的電子吸收足夠能量而脫離，而在電子脫離的位置便形成帶正電的電洞，電洞會將附近水分子游離出的氫氧基 (OH-) 氧化 (即奪取其電子)，使其成為活性極大的氫氧自由基 (OH radical)；氫氧自由基一旦遇上有機物質，便會將電子奪回，有機物分子因鍵結的潰散而分崩離析。一般的污染物或病源體多半是碳水化合物，分解後大部份會變成無害的水及二氧化碳，因此可以達到除污及滅菌的目標。

　　奈米材料的種類相當眾多，近來最熱門的便是「奈米二氧化鈦光觸媒」了。一般我們所說的觸媒，是一種可以促進化學反應進行的材料，但觸媒本身在反應前後並不會改變或減少。而光觸媒顧名思義就是可以利用光當能量，在光觸媒材料表面上進行觸媒反應。

　　二氧化鈦可鍍在建築物內的玻璃、壁紙或磁磚上，當二氧化鈦吸收足夠的光能以後便可產生氫氧自由基，因此吸附在建築材料表面的細菌或是病毒便可被殺死，此等技術不僅可應用於一般住家更用在醫院內部的裝璜，以創造一個清淨、無毒的環境。


細菌(約10000奈米)	SARS病毒(約100奈米)

B. 奈米碳管：

　　早在 1985 年 Kroto 等人即意外發現C60的存在而提出了足球模型 (1)，此發現對碳化合物的研究有著重大突破，但當時對於 C60 的特性及其應用發展並不清楚。直到1991年Iijima(2) 提出奈米碳管的概念後，才促使相關單位朝此領域進行積極的研究與開發。奈米碳管不論在物性、化性或材料特性上均有著顯著非凡的表現，例如：在電性上，不同管徑及形態的奈米碳管可具有金屬導體或半導體的特性，且奈米碳管具有極佳的機械性質與良好的氣體儲存特性。由於奈米碳管具有多重的特殊性質因此成為21世紀的關鍵材料之一。

　　奈米碳管是一具有奈米級直徑與長寬高比的石墨管。碳管內徑可從0.4nm ~數十nm，碳管外徑則由1nm~數百nm，長度則由數微米至數十微米間，可由單層或多層的石墨層捲曲形成中空管柱狀結構。所形成的中空管柱狀結構主要可分為單層（Single-Wall）碳管與多層（Multi-Wall）碳管兩類，如下圖所示。


單層奈米碳管	多層奈米碳管

奈米碳管元件與應用

　　由於奈米碳管有許多新的性質，如質量輕、高強度、高韌性、可撓曲性、高表面積、高熱傳導性、導電度特異等，因此衍生了許多新的應用。奈米碳管亦可應用於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試做階段。Sumio. Iijima 預估，2005~2010 年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。此外，奈米碳管也可作為飛機、太空梭的新複合材料，拿來製造氫汽車燃料電池等，可說是種蘊藏無限可能的夢幻材料。繼矽取代鐵之後，奈米碳管有可能取代矽，成為尖端產業的骨幹材料。CNI 預估，奈米碳管市場大餅每年可達 1,000 億美元。如果價格降到每公克 33 美元，而且年產量可達1噸，將可供應產值達數十億美元的電腦及電視顯示器。如果價格降到每公克 22 美元，則更多產業都能運用，例如可做雷達無法偵測的隱形飛機的機殼。如果降到 4.4 美元，則可運用於一般日常生活用品，例如作手機、筆記型電腦、PDA 的材料，可以防電磁干擾。美國最大創投雜誌《Red Herring》預估，要實現這樣的美夢，看來還要花好幾年時間。到2003年，奈米碳管價格才可能降到每公克5美元。此外，量產技術也有待克服，目前能「量產」的 CNI 每日也只能製造 25 公克，年營業額達 400 萬美元。以下就奈米碳管的應用做一簡單的介紹：

甲、奈米場發射顯示器(FED)

　　奈米碳管優異的電子場發射特性使其在冷場發射源上的應用上具有相當的潛能，場發射顯示器的特點在於反應時間迅速、寬廣的視角、工作溫度範圍大、且具有陰極射線管的色彩，有別於傳統陰極射線管 (CRT) 因電子發射源體積龐大而顯得笨重，場發射顯示器則是以數百萬根的奈米碳管做為電子發射源直接平鋪在螢幕下方，因此每個畫素 (Pixel) 皆有個別專屬的電子槍，故螢幕可做的像 TFT-LCD 一樣薄，但目前因無法在低溫下 (< 500°C) 基板上長成奈米碳管，而限制其平面顯示器上的應用，大面積成長碳管與使用壽命等問題即須等待克服。下圖為場發射顯示器 (FED) 二極體結構慨念圖

場發射顯示器 (FED) 二極體結構慨念圖

乙、奈米場效電晶體(Field-effect transistor)

　　奈米碳管可視為最細的導線，將其置於兩金電極間即可製做出最小的場效電晶體，因碳管的絕佳導電性與導熱性質也解決了散熱與熱穩定的問題。但是目前測量碳管的電性皆須藉由AFM的探針技巧推移至電極間以便量測，這對於量產上是極大的瓶頸。下圖為單層奈米碳管做成的場效電晶體（FET）。

單層碳管的場效電晶體

丙、奈米導線(Nanowire)

　　金屬型奈米碳管本身即是一種分子導線，但其碳原子微結構強烈的影響碳管的導電度，如碳管的管徑大小與原子排列時的缺陷如六圓環結構中摻雜了五圓環或七圓環等，因此直接使用奈米碳管做為金屬導線目前尚有困難。1991年Kiang et. al.將金屬粒子填充至奈米碳管中形成一奈米導線，所得到之奈米導線其導電性則由填充金屬決定，下圖之左圖所示。下圖之右圖則為高解析度穿透式電子顯微鏡照片。


奈米導線示意圖	高解析度穿透式電子顯微鏡照片

丁、強化複合材料

　　因奈米碳管有極佳的抗拉、抗撓曲、高韌性等機械性質，若將其導入高分子製做成具特殊功能性的複合材料並應用於汽車與建築物等，將可強化其原本材料的性質延長使用的壽命。

戊、儲氫材料

　　就燃料電池的發展而言，氫氣的儲存一直是一個需要突破的瓶頸。目前儲氫的方法有液化氫、壓縮氫、金屬氰化物及活性碳等方法。但上述技術有缺點以致無法用於商業用途，而中空的多層奈米碳管可將氣體凝結成液體而存於管中，這將使碳管的氣體吸附量大幅增加且單層奈米碳管吸附氫氣的能力遠遠超過活性碳，故若能將奈米碳管有效的應用於燃料電池中，將會是燃料電池的一大突破。

己、顯微鏡的掃描探針

　　1998年Wong et. al.嘗試以奈米碳管做為原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）探針頭的開發，奈米碳管不論是強度、撓曲度、韌性及導電性皆優於以矽為基礎的探針頭。目前奈米探管探針的顯微鏡由於量產困難，且奈米探管探針在大氣中亦容易氧化斷裂故壽命受限。

　　除了上述的應用外，奈米碳管亦可應用於極靈敏氣體偵測器，對於酸性環境或極微量的鹵素氣體、戴奧辛等皆有靈敏的感應。

C. 第一代奈米晶片

　　科技創新提供了超越縮小電晶體尺寸的技術，使微處理器的性能大幅提升。此處顯示的是放大約五萬倍的晶片，它利用在一層氧化物（綠色）頂端覆蓋製作電晶體用的矽（淺藍色），來提高速度並節省能源。

二、行動計畫　

軟硬體資源共享、研究成果交流

成員老師定期聚集研討交流

申請以下研究計畫，以取得更多資源有助最佳化發展研究

(1)	國科會一般型計畫
(2)	國科會小產學計畫
(3)	國科會大專學生參與專題研究計畫
(4)	其它政府或財團法人(資策會、工研院…)的研究計畫
(5)	直接與廠商的合作研究計畫

奈米科技發展研究室現有設備

1. 設計/模擬組---實驗設備：

1. PC電腦

2. 繪圖軟體：

(1) Origin 6.0

(2) Sigma Plot

3. 電路設計/數值模擬軟體：

(1) Mathematic

(2) Matlab

(3) ADS

(4) Spice

本實驗室與國立交通大學電子所、國防大學理工學院(中正理工)、國家奈米實驗室、國科會精密儀器中心、國家同步輻射中心進行長期計畫合作，藉以提昇研究生的研發競爭力及國際觀。

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建國科技大學 - 電子工程系暨研究所

4F 奈米科技發展研究室Nanotechonology R&D Labortory

■研究室成員

本實驗室與國立交通大學電子所、國防大學理工學院(中正理工)、國家奈米實驗室、國科會精密儀器中心、國家同步輻射中心進行長期計畫合作，藉以提昇研究生的研發競爭力及國際觀。