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單晶、鑽石與奈米材料

91/09/05 7131

陳信文｜清華大學化學工程學系

瀏覽最近的報紙，我們會發現單晶、鑽石與奈米是其中非常熱門的三個名詞。「單晶」出現在政治與財經版，主要是伴隨著八吋晶圓的討論。「鑽石」出現在影劇版，尤其是奧斯卡頒獎晚會，豔麗女星妮可基嫚所配戴上億元價值的鑽石，羨煞了世間多少人！「奈米」則橫跨所有版面，從政治、財經版等嚴肅的討論，到民生影劇版的化妝品廣告都可看到這個「高科技」的字眼。這三個當紅的名詞，大多數人多少都聽過、看過。它們的意義，也有許多人可以大略地說出一二。只是它們彼此之間，是否存在著一些關係呢？除了宿命將它們一起推向舞台，成了最近的新聞寵兒外，從較科學的眼光來看，它們之所以特殊，皆是與「材料的結構」有關。

原子是具有不同物質特性的最小粒子。雖然原子仍由較小的電子、質子、中子等粒子所組成，但是這些基本的粒子彼此間並無不同，也就是它們不具有不同的物質特性。原子結合形成分子，因其所結合形成分子的不同，物質的性質也就不同。如過氧化氫與水都是由氫原子與氧原子所組成，因其所結合成的分子不同，其性質也就明顯不同。當然有些物質是僅由原子所構成，或是說其分子是單一原子的分子。如亮澄澄的黃金，就是僅由金原子所構成。由不同的原子或分子所組成的物質，其特性當然會不相同。但是縱使由相同的分子或原子所構成的物質，仍會因組成分子或原子間排列方法上的差異，而產生不同的性質。這些分子或原子排列成物質的方法，就是材料的結構。

物質基本上分成三種狀態，氣態、液態與固態。固態的物質稱為「固體」，又可依其組成的原子或分子的排列狀態，分成「結晶」與「非結晶」二種。結晶材料的組成分子、原子的排列具有一定的規律性，而非結晶材料則欠缺此種規律性。所謂排列上的規律性，是指從原子與分子的層級來看，可以找出一種排列上重複的模式，也就是具有一再重複的單元。以點晶格（point lattice）的形式來看，科學家們發現結晶的形態僅有十四種。其中的晶格點是指原子或分子所占據的位置。

炫麗耀眼的鑽石是由碳原子所組成，與石墨、木炭所具有的成分其實是相同的。鑽石具有立體的鑽石結構。除了鑽石以外，半導體常用的結晶矽，亦具有鑽石結構。石墨則具層狀的結構。它們彼此間的差異，只不過是原子聚在一起的排列狀態不同而已。同樣是碳原子所構成，僅因原子彼此間排列方式之不同，一個是如此之堅硬耀眼，一個是如此之平凡柔順，大自然真是太奇妙了！想想看若是女星們在耳朵上、脖子上掛著一片片木炭，可能就沒有那麼閃閃誘人了吧？

但是原子在液體或氣體狀態下，並不知道那邊是上下左右的。如矽原子在凝固過程中，雖然可能會希望以鑽石結構的形式排列，但是它們並不知道何者才是正確的方向。當一群矽原子隨機的排列在一起時，其彼此間之聚集排列關係才開始建立。原子是很小的，任何看似小量的液體，其實可能是具有天文數字的原子。它們彼此間無從得知在另一處正有另一群原子，正依相同之特定結晶形態在排列，只是彼此所排列的方向並不相同。當數群的原子都依相同的結晶形態排列至將完成凝固並碰到一起時，才會驚覺彼此之結晶形態雖然相同，但重複單元的方向卻是不同的。

此一區一區具相同排列方式，但排列方向並不相同的原子群稱為「晶粒」，而晶粒與晶粒間則是稱為「晶界」的結構缺陷。物質的結晶是三度空間的結晶，而我們從某個方向看到的，正代表著相同結構的不同方向面。具有晶界的結晶材料稱為「多晶」材料，也是日常生活中最常見的材料。「八吋晶圓」的晶圓，就是不具有「晶界」結構缺陷的矽「單晶」基材。所謂的「單晶」是指凝固過程經嚴謹控制，原子的聚集僅從一處成長，所形成僅有一個晶粒，未具有晶界缺陷的結晶材料。一段未經切割的六吋矽單晶晶棒，含有約1027個矽原子。要控制如此多的原子，使之僅能往一處聚集，而不會隨處另起爐灶，其實是十分不容易的。

縱使在相同的結構中，不同的方向面具有不同的性質。正面的面、與從立方體中斜切過的面，此二個面所具有的原子密度並不相同。不同方向的面上所具有的原子密度不同，其相關的性質也就不同。這就如正面穿過密集的人潮，與順著隊伍中的縫隙前進，所遭遇的阻力會明顯不同一樣。大自然的神奇，正展現在這些細節上。而且，僅是排列方向的差異，也會展現不同的性質。一般的材料在使用上，主要都是依靠較大區域的性質。所以，縱使每個晶粒的方向與性質不同，但是因其所含晶粒的量非常多，所展現的平均性質也就十分相似，故材料方向性的議題並不顯得重要。但是積體電路的線路十分微細，如果元件是在多晶上製造，元件的性質就會受到其所在晶粒方向的影響，而產生不同的電氣性質，這當然不是工程上所樂見的。為了克服這個困難，供製作積體電路的矽基材，必須是具有相同方向性的矽單晶。

隨著奈米的風行，目前奈米科技已泛指所有與奈米尺寸相關的科學研究，其範圍不再僅是與材料結構有關而已。但是最初人們談奈米時，指的是較狹義的奈米材料。最主要的奈米材料，是晶粒大小或顆粒大小為奈米尺寸的材料。而物質在晶界或表面等界面，因其周圍環境不同，其原子與分子的排列是不規則的。一般材料的晶粒或顆粒多為微米尺寸，奈米材料比一般的材料微細，因此，奈米材料整體具有較高比例的界面排列上的缺陷。這些排列上的不同，賦與了奈米材料特殊不同的性質，遂引起人們廣泛的研究興趣。

萬物皆由電子、質子、中子等相同的基本粒子建構而成，而這些基本粒子不同的排列組合，卻又產生了千變萬化的花花世界。相同的原子，可以有不同的分子；相同的分子，可以有不同的結構；相同的結構，可以有不同的缺陷。單晶相對於多晶，鑽石相對於石墨，奈米材料相對於一般材料，其所以具有十分不同的性質，僅僅是由於原子與分子在排列上的一些差異。「失之毫釐，差之千里」，大自然對此名言做了最佳的註解。探討大自然所展現的小把戲，了解其可能造成的影響，增添一份對大自然了解的親切感，正是學習科學最大的樂趣。而透過對這些細節的了解，可以確保工程上的正確製程參數控制，這正是科技得以進步之所在。

資料來源

《科學發展》2002年7月，355期，34 ~ 37頁

鑽石(7) 石墨(14) 科發月刊(5210)

單晶、鑽石與奈米材料

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