低維奈米材料
93/10/06
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馬遠榮｜
東華大學應用物理研究所暨物理學系
所謂奈米材料是指在1～100奈米之間的微小物體，而廣泛的定義則是：三維中至少有一維處在奈米尺度範圍內。這裡所說的三維就是物體的長、寬、高，只要任一維度小至奈米尺寸，就可稱此物體是奈米材料。
奈米材料依維度可分為零維、一維和二維。零維奈米材料是指長、寬、高三維尺度都在奈米尺寸內，形狀是點狀，例如奈米粒子、分子團、量子點等。一維奈米材料是指長、寬、高三維中的寬與高二維都是奈米尺度，形狀是長條狀，例如奈米絲、奈米棒、奈米管、奈米帶等。二維奈米材料則是指長、寬、高三維中僅有高度是奈米尺度，形狀是平面，例如奈米薄膜、超晶格等。
科學術語中稱一般材料是「塊材」，相對於奈米材料的維度，我們可稱塊材是三維的材料，這裡無需加入「奈米」字眼，因為塊材的三維均不在奈米尺寸範圍內。塊材相對於奈米尺度是非常巨大的，屬於巨觀世界的材料，所以我們肉眼所見、十指所觸的東西都可稱為塊材，傳統物理學、化學理論主要以討論巨觀的塊材為主。
當我們所熟知的塊材縮小至奈米尺寸時，材料本身的特性，如熱學、光學、電性、磁性、機械等性質，便產生與巨觀世界不同的變化。例如，奈米材料依維度的不同，電子能階的分布也不同。由於零維奈米材料缺乏來自相鄰原子或分子的作用力，因此電子能階的分布並不連續，且集中在非常窄的能寬中。隨著奈米材料尺寸的增加，能寬也會增加，所以一、二維奈米材料的能寬較零維材料的大，但電子能階的分布基本上如柵欄狀或階梯狀，而三維塊材材料的電子能階分布則是連續的。
若以電子的傳輸情況為分類標準，零維奈米材料是指電子受限於長、寬、高三維尺度均在奈米尺寸的空間中，無法自由運動。一維奈米材料是指電子受限於長、寬、高三維中有二維處於奈米尺度，電子僅能在不是奈米尺度的一維中自由活動。二維奈米材料則是電子可在不是奈米尺度的二維中自由活動，也就是活動於平面上。
不僅電子的運動會因奈米尺度而改變，奈米材料中原子的振動也會受到影響，而與塊材中的原子振動模式不同。這裡所提到的原子振動，科學術語稱為「晶格振動」，或簡稱為「聲子」（phonon）。而這種電子活動受到奈米尺寸限制的現象，與原子振動的改變，稱為維度的量子局限，或簡稱為量子局限。
電子活動與原子振動的變化也會改變奈米材料的光學、熱學、磁性、機械等性質，而這些性質形成奈米材料獨特的特性，使奈米材料成為新一代的革命性材料。
零維奈米材料
奈米粒子、分子團（如碳-60）與量子點代表了零維奈米材料，這種零維奈米材料若具有半導體的特性，將有助於奈米元件的發展。
零維奈米材料是由少量原子或分子所聚集而成的物體，顧名思義它是一種尺寸在一奈米至數十奈米或一百奈米之內的點狀物，它的物理性質只能由微觀的量子物理解釋。例如零維奈米材料的電子能階分布與一般原子的電子能階分布相似，同樣是不連續的，電子被局限在量子點能階的規則也和真正原子能階的情況相似。因此電子在零維奈米材料中的表現也接近在原子內那樣，依各種軌道運動，由於零維奈米材料具有與實際原子相似的性質，可以稱它是人造原子或超原子。
如果把零維奈米材料按照特定圖案排列，就可以用來製作奈米級的電子元件或光電元件，它的優點是體積更小、效率更高，且無需引線。例如應用零維奈米材料製作半導體元件，將能發展運算速度更快、體積更輕巧的電腦，以取代目前運算速度慢又笨重的半導體電腦。又如應用量子點結構，可製成啟動電流低、溫度穩定性高的窄頻螢光、甚或量子點雷射，為光纖通訊提供省電與高功率的光源。所以設計與控制零維奈米材料的發展已變成一個重要的研發領域，而且也已應用在發光二極體與生物標定等重要科技上。
除此之外，量子點也已經應用在單電子的觀察。甚至溫度的量測與奈米級的量子點冰箱，這是由於量子點可把熱電子移除，使溫度保持在一定溫度下。這裡所謂的熱電子，是指電子能量高於費米能階者，冷電子則指能量低於費米能階者。由於量子點中電子的能量均低於費米能階，所以溫度能保持在費米溫度以下。但奈米級的量子點冰箱僅能將電子元件中的熱帶走，與普通的家用電冰箱不同。
一維奈米材料
自一九九一年發現奈米碳管以來，一維奈米材料的發展就如雨後春筍般，不斷有新的材料製作出來。奈米碳管由碳原子組合而成，形狀是中空管子，直徑約數奈米至數十奈米，是一維奈米材料的代表。一維奈米材料發展至今，已有各式各樣的形狀，也可用各種元素製作。依形狀而言，大致可分四種，分別是奈米管、奈米帶、奈米棒與奈米線。
奈米管顧名思義是中空的奈米結構，除了最有名的奈米碳管外，還有奈米矽管與奈米氮化鎵管等。奈米碳管的管壁因結構的不同又可分為三種，包括單層、雙層及多層。管壁構造不同，性質也會不同，有可能偏半導體性，也有可能較偏金屬性。奈米碳管常因製程條件的改變，而在同一根奈米碳管上同時具有半導體與金屬的性質，所以可利用這特質，設計新一代的奈米元件。
事實上，在一九九八年韓國三星公司已經利用奈米碳管的金屬性質，發展出奈米碳管平面顯示器。相信不久的將來必能發展出薄如紙張、可捲曲的電視機、電腦螢幕與各式大小的平面顯示器，屆時奈米科技的平面顯示器，將取代傳統笨重型的陰極射線管電視或其他種類的平面顯示器。
奈米帶 顧名思義是扁平長條狀的奈米結構，於二○○一年首次發表後，現在已有四種氧化物奈米帶，分別為一氧化鋅（ZnO）、二氧化錫（SnO2）、三氧化二銦（In2O3）與氧化鎘（CdO）。當然還有其他的半導體氧化物已製成奈米帶，例如三氧化二鎵（Ga2O3）、氧化鎂（MgO）與三氧化鉬（MoO3）等。
這些奈米帶因為奈米尺寸所限，沒有一般塊材晶體所含的雜質、缺陷與差排等，所以奈米帶擁有良好的晶體結構。而這些氧化物奈米帶又具有半導體性質，可應用在微量有毒氣體的偵測，性能較一般的傳統氣體偵測器更為靈敏。
奈米棒 顧名思義是長條柱狀的奈米結構，至今已有鎢（W）、二氧化錳（MnO2）、氧化鋅（ZnO）與二氧化鎢（WO2）等發展出來。這些金屬與半導體的奈米棒具有良好的外型，與完整的晶體結構，幾乎沒有雜質、缺陷與差排的存在。
其中鎢金屬及二氧化鎢奈米棒在低電場下，具有良好的電子發射特性，足以媲美奈米碳管，所以可作為另一種平面顯示器材料的選擇。氧化鋅奈米棒則可製成紫外光的奈米雷射，為光電工程創造出一條新路。值得一提的，二氧化鎢奈米棒是由國人在東華大學實驗室首次製作成功，目前學者們正努力了解它的物理與化學性質。
奈米線 顧名思義是長如線狀的奈米結構。碳化物奈米線在一九九五年藉由奈米碳管為原料首次製作成功，當時還被誤植為奈米棒，實際應是奈米線。此後，陸陸續續另有一些奈米線製作出來，如四氮化三矽（Si3N4）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、三氧化二鎵（Ga2O3）與硫化銅（CuS）等。
一維奈米線與奈米帶、奈米棒一樣，具有良好的外型與完整的晶體結構，沒有雜質、缺陷，但有差排存在。因為奈米線的長度夠長，可達數十毫米，所以可製成奈米級的光電與電子元件，也可以作為另一種奈米平面顯示器的材料，以及用來製作奈米級天秤。相信未來會有更多的奈米級半導體元件製作出來。
二維奈米材料
二維奈米材料是指它的長、寬、高三維中僅有高度是奈米尺度，形狀則如同平面，換句話說二維奈米材料就是薄膜，但這裡的薄膜可分為兩類，即分別是奈米薄膜與超晶格。
奈米薄膜 顧名思義就是薄膜的厚度僅數奈米至數十奈米，而薄膜的材質是同一種材料。當薄膜的厚度小至奈米尺度內時，維度的量子局限效應可能就會發生，而這薄薄的一層就宛如塊材的表面，但塊材的表面不會有如此效應，故奈米薄膜的表面性質與塊材表面性質大不相同，維度的量子局限會影響奈米薄膜的物理、化學性質，進而影響奈米薄膜的光、電、熱、磁、化學與機械等性質的應用。
例如，可應用它的光學性質在反射與抗反射的塗布、過濾干涉、裝飾、光碟與波導等方面。它的電性可應用在絕緣、電導、半導體元件、壓電材料的驅動器上。它的熱學性質可應用在隔熱與散熱上。磁學性質可應用在記憶碟片、控制開關上。化學性質可應用在阻隔擴散、合金化、阻隔氧化與腐蝕、氣體偵測等方面。奈米薄膜的機械性質則可應用在摩擦、硬度、黏著、微米力學等方面。
超晶格 顧名思義是由許多的奈米薄膜所組合而成，每一層奈米薄膜各是不同的化學成分、不同的晶體，但每層的厚度通常僅數奈米至數十奈米，所以超晶格層的總厚度並不會超過奈米尺寸，例如砷化鎵／砷化鎵鋁超晶格（GaAs／AlGaAs superlattice）。
因為各層間化學成分不同，不同晶體的多層奈米薄膜結構，形成如三明治般的夾層，各個夾層的接觸面或稱介面會形成二維量子井，井中會產生自由的電子而游動在介面上。這種由超晶格結構所產生的自由電子，稱為二維自由電子。由於二維自由電子游動時，相互碰撞的機會很少，所以二維自由電子的游動性比一般的電子元件快，這特性已經被應用在場效電晶體的結構中。
