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一種材料能發出兩種波長

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,會發黃光波長與藍光波長的光,然後混合發出白光。
 
 
 
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。
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