奈米结构物如量子点及量子线的制作与监定已引发非常多的研究学者.DOC

一維奈米材料的研究 陳貴賢1* 、吳季珍2 1中央研究院原分所 2國立成功大學化工系 *e-mail: chenkh@po.iams.sinica.edu.tw 隨著對各式產品微小化的需求，人類的科技文明即將由微米時代逐步進入所謂的奈米時代。而雖然原子分子科學抑或是微結構至塊狀材料的科學知識發展已趨成熟；但相較之下，用以描述尺寸介於1-100奈米大小奈米級物質的科學知識的發展仍處於嬰兒期，對奈米材料的製造與特性的瞭解才剛剛起步。而隨著近來一些奈米級材料與結構，如carbon nanotubes、molecular motors、DNA-based assemblies、quantum dots及molecular switches等的發展，以及許多有趣的奈米新現象，如magnetoresistance及size confinement等的發現，已為奈米級材料與結構的未來應用建構了一些光明的遠景[1]。另一奈米級材料與結構漸受重視之原因則與蓬勃的半導體資訊產業有關，現階段半導體製程因黃光蝕刻技術的瓶頸限制了0.1(m以下製程之發展，而如何突破此困境將半導體製程推進另一新里程碑，就必須靠奈米技術之發展了。 當材料的尺度縮小到奈米級時，由於量子侷限效應及其表面積與體積的比值變大等因素，奈米材料隨尺度縮小之後的物理、機械及化學等許多性質便與其為塊材時的特性有了差異，如金屬材料熔點的降低及半導體材料能隙的增大等。因此，人類除改變材料化學組成以獲得不同材料應用需求上的性質外，將可進一步藉由控制奈米材料的大小與形狀，而有機會操控同一種化學組成材料的基本特性如熔點、顏色、光、電、磁等性質。利用此特點，許多從前無法於微米時代達成的高性能產品或技術將有機會在奈米科技的領域中實現。此外，在奈米科學的領域裡，仍有許多現象尚待發掘，許多理論基礎尚待發展建立；因此也吸引了更多的研究學者，包含實驗學家及理論學家加入奈米領域的研究行列[2]。 各種奈米材料中，二維的薄膜與quantum well結構已經在過去20年來有許多發展，零維的quantum dots也在過去10年來有實質的進展，因為量子點材料在處理上與塊材相同，所以發展較容易。相較之下，一維的奈米結構如奈米管(nanotube)、奈米線(nanowires)及奈米柱(nanorods)等因其結構特殊，其處理與研究較具挑戰性，也是最具發展空間的一環。同樣的觀點，由量子點組成的一維奈米線與二微薄膜則是奈米領域的一片處女地，許多過去未曾遐想的現象正逐步被開發中。 一維的奈米結構因其不僅可做為材料的光、電、磁及機械等物性之於orderliness、dimensionality及size的基礎理論研究；並具有很大的潛力做為奈米光電元件(如低能消耗nanowire LED[3]、超薄全彩LED顯示器及全彩影印設備[4]、場發射元件[5]等)、功能性奈米結構元件及掃描式探針顯微鏡之探針等應用[6]。因此各種一維奈米結構材料製程漸漸受到重視。尤其韓國Samsung公司已展示了奈米碳管的場發射顯示器[7]，而哈佛大學Lieber教授研究群亦成功地展示以奈米碳管做為分子電腦的nonvolatile random access memory[8]的可行性，此外以奈米碳管作為探針顯微鏡之探針[9]及NH3、H2氣體的奈米感測器的研究報告也已發表[10,11]。而半導體奈米線方面，以InP及ZnO奈米線為發光材料成功地製作出目前最小的LED及雷射[12,13]，以Si奈米線作為生化及化學物質之奈米感測器[14]的論文亦以相繼發表。這些傑出的研究成果為一維奈米級結構材料於奈米光電元件與功能性奈米結構元件的實際應用跨出了非常重要的一大步。 奈米碳管由Iijima於1991年首先以穿透式電子顯微鏡發現[15]。經許多理論及實驗的證實，這種石墨結構的奈米級管狀物的各種性質可因管徑、 石墨層層數以及石墨層捲曲方向的不同而有所差異[16,17]。製備奈米碳管的方法早期以arc discharge及雷射蒸鍍為主，爾後由於製程中加入金屬觸媒，利用VLS(vapor-liquid-solid)法，而使奈米碳管的製作趨於穩定簡單。利用此法成長奈米碳管乃以一奈米尺寸之金屬顆粒如鎳為觸媒，利用其與碳形成共融點(eutectic point)之特性，先於氣相中或基材上形成奈米尺度之小合金液滴，再經降溫後因碳於合金液滴為過飽和狀態，而以奈米管結構析出[16]。雖然奈米碳管的成長並不困難，但是如何有效地控制奈米碳管的管徑、石墨層層數以及石墨層捲曲方向等，以得到性質均一的大量奈米碳管產品，仍是目前奈米碳管製程的瓶頸。 至於奈米線製程的部分，由於目前黃光技術的瓶頸限制了由薄膜蝕刻成奈米結構之線寬，無法以top down方法任意製造不同線徑之奈米結構；因此