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一種材料能發出兩種波長

96/07/05 15190

張志玲｜《科學發展》特約文字編輯（文字整理）

清華大學化學系主任王素蘭教授和她的研究團隊，在製造奈米孔洞材料時，發現一個全新的金屬磷酸鹽系統–NTHU−4（National Tsing Hua University 4）。這種材料會發黃光波長與藍光波長的光，然後在材料中混合發出白光，且其組成和結構與目前使用的黃色螢光粉完全不同。

這個發現開啟了材料研究的新視窗，不僅為微孔金屬磷酸鹽增加新的應用方向，也為無機螢光粉材料增加一個新的系統，更在全球材料科學界引起相當大震撼。相關研究成果發表在 2005 年的《美國化學學會雜誌》（Journal of the American Chemical Society）。

能夠發出兩種波長

除陽光外，日光燈是生活中很重要的照明光源。可是日光燈耗電，而且燈管裡面的汞是嚴重的污染源，這使得具有體積小、省電、環保等多項優點的白光發光二極體（light emitting diode, LED）極受重視。然而目前使用的白光 LED 是日本日亞化學（Nichia）公司的專利，發光機制由藍光 LED 激發螢光粉釔鋁石榴石（yttrium aluminum garnet, YAG）產生黃色螢光，然後由黃色螢光與藍光混合產生白光。因為 YAG 螢光粉很貴，所以尋找更好的黃光材料或找到取代 YAG 的材料，成為發光材料科學家的夢想。

當初王教授的研究團隊為了製造奈米孔洞材料，在磷酸鹽裡添加金屬原子鋅與鎵，然後加熱觀察這個合成物質的熱穩定度，結果得到發白光與黃光的微孔金屬磷酸鹽–NTHU−4W（發白光）與 NTHU−4Y（發黃光），於是就把這兩種不同螢光特性的相似物共同組成一個 NTHU−4 系統材料。這是科學上第一次遇到單一材料同時發出兩種波長的情形，不但成為材料科學上的創舉，也成為一個新的里程碑。

應與奈米孔洞有關

如果以儀器觀看，會看到鋅、鎵加上磷酸鹽以後合成一個骨架結構（有如房子的 RC 鋼骨結構），這種骨架裡面有許多隧洞（有如房間）相互貫穿而組成整個結構。由於結構裡的許多空隙容易產生缺陷使得骨架鬆動，因此會看到一些骨架中的原子出現無序化現象－它們雖然被化學鍵拴住，但是會上下躍動，就像一個小朋友在裡面盪鞦韆一般。而以前用來發光的無機螢光粉，因為結構密實，裡面沒有孔洞，所以沒有這種情況。這個現象在材料科學界引起相當大震撼，大家都想知道到底是何種機制引起的。

王教授認為，或許因為發出黃光的 NTHU−4Y 骨架中產生無序的原子，它們在裡面動得比較厲害，而奈米孔洞材料本身會發藍光，黃光與藍光混合後就發白光。這是一個想法，因為這些新現象尚無理論可以解釋，然而也有部分科學家認為與奈米孔洞有關。

唯須補充說明的是，王教授團隊是在奈米（0.1 奈米到 100 奈米）孔洞範圍內，把物質孔洞做到趨向超大孔徑，但是做出來的材料本身不一定是奈米級。而我們常聽到的奈米研究，是把材料本身的尺寸做小，一直小到奈米級以後再去觀察材料的各種性質。兩種是不一樣的奈米研究。王教授團隊所做的研究領域與一般常聽到的奈米研究領域並不相同。

資料來源

《科學發展》2007年7月，415期，72頁

奈米孔洞(3) 發光二極體(12) LED(18)

一種材料能發出兩種波長

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