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奈米碳管-关于NKFUST
第五章 奈米材料 5.1 前言 5.2 奈米材料的性質 (1)表面效應:(大而無外,小而無內) (2)小尺寸效應 (Size Effect) : (3)宏觀量子隧道效應(量子尺寸效應): 5.3 奈米材料的研製 (1)奈米孔洞材料 (2)奈米光電材料 (3)燃料電池 5.4 奈米碳管 奈米碳管的特性 (1)場發射 (2)機械性質 (3)熱穩定性、熱導性及熱膨脹性 奈米碳管的製作 化學氣相沉積法 奈米碳管的應用 * * 5.1 前言 5.2 奈米材料的性質 5.3 奈米材料的研製 5.4 奈米碳管 奈米材料是指尺寸1-100 nm的物體,其大小要比應用特性之特徵長度還要小。例如一般材料破裂,都是從極小的微裂縫開始,當物體縮小到與微裂縫相當的大小後,就不會產生微裂縫,其破裂行為將與塊材時不一樣。可知,奈米材料絕對不是尺寸的縮小,而是因其奈米尺寸的大小,改變了材料的基本性質。奈米材料可以是金屬、陶瓷、高分子甚至是複合材料。奈米材料能展現新穎的光電、磁性、熱學及化學性質是因為:物體包含有限的原子總數,因此趨近由原子物理或是量子物理所預測的性質;較高比例的原子佔據在表面上,因而表面的行為較重要 一種新材料或新技術的出現,總會帶給人們無限的憧憬與期望。目前,最受科技界矚目的奈米科技,就是其中的翹楚。 1940年代電晶體(transistor)的出現,走上舞台時並未獲得大家的注意,相關報導也僅披露於地方性小報上。 1980年代逐漸受到矚目的微機電系統(MEMS)技術則受到相當的青睞,當第一個微細加工製作的可轉動馬達出現時,各大傳播媒體大篇幅地報導。隨之而下,人們對奈米科技的發展潛力,愈有更高的期待。奈米科技的濫觴相當早。 至1980年代末期及1990年代初期,奈米科技才逐漸成為一專門領域,尤其是原子尺度觀察及操縱能力於1980年代研發出來後,對於奈米科技的發展,更扮演著推波助瀾的角色。及至今日,它的發展速度更驚人,甚至可說達到失控的地步,吸引各界的目光,各個領域及行業,都想涉入或和奈米一詞拉上關係,以提升其附加價值及競爭力。 奈米材料的範圍非常廣泛,從自然界中的,到人為的各種材料。自然界中的例子,如許多細菌或是生物辨別方位的方法,即是靠著生物體既有的單磁區奈米顆粒(FeO)。這些自然界的現象,可以作為人類製作奈米材料的樣版,也可以學習仿照,將之應用於人體的器官內。至於其他無機材料方面,從1960年以金屬奈米粉末開始,1980年做到只有100顆原子組成的奈米團簇,1990年量子點重新發現,1991年一維奈米碳管的發現,最近十多年則是各種維度、各種奈米結構相繼發現。 奈米材料的研究範圍涵蓋有零維的奈米粉末、奈米顆粒、奈米團簇、量子點等;一維的奈米線、奈米帶、奈米管、量子線;二維的各種物理、化學性質的奈米薄膜,如巨磁阻磁性薄膜、發光及微機電的奈米鑽石薄膜,及半導體量子井結構等;三維的奈米結構,如多孔洞薄膜、顆粒,奈米晶粒;奈米複合材料,如奈米高分子夾層、不同奈米材料堆疊之複合材料等。 奈米材料的製備,主要分為物理及化學方式兩種。 物理方式,通常利用微影蝕刻(lithography)、乾濕式蝕刻 (etching)等蝕刻方法,即是由上而下 (top-down)的方法來製備奈米粒子。光蝕刻法的極限約在0.07微米左右,而利用離子束 (ion beam)或電子束 (electron beam),可以改進蝕刻精度極限,縮小至0.01微米,但要製備比0.01微米更小的奈米材料尺寸,就必須改變蝕刻技術的方法。 化學方式,通常所用的方法,是由下而上 (bottom-up)的方法,也就是以原子或分子為基本單位,利用溶液微胞侷限、電解、生物模板、溶膠-凝膠、化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)等方法,漸漸往上成長成奈米粒子。 於物理性質或是化學性質,奈米材料的性質均與塊材(bulk materials)的有著相當大的差異性,將分項說明。 一般而言,奈米微粒的特性有三種: 表面效應 小尺寸效應 宏觀量子隧道效應 球形顆粒的比表面積(表面積/體積)與直徑成反比。 對直徑大于 0.1微米的顆粒表面效應可忽略不計,當尺寸小於 0.1微米時,其表面原子百分數激劇增長。 超微顆粒的表面具有很高的活性,在空氣中金屬超微顆粒會迅速氧化而燃燒。 利用表面活性,金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。 以原子堆積顆粒,其堆積所用之原子總數與其表面原子所佔比例之關係。 由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(光學、熱學、磁學、力學)的變化稱為小尺寸效應。 (2.1)特殊的光學性質 所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小,顏色愈黑,銀白色的鉑(白金)變成鉑黑,金屬鉻變成鉻黑。 金屬超微顆粒對光的反
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