奈米科學 - 中研院物理研究所
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奈 米 材 料 及 其 應 用<br />
15nm<br />
100 nm<br />
150 nm<br />
陳 啟 東<br />
中 研 院 物 理 所 研 究 員<br />
中 央 研 究 院 物 理 研 究 所<br />
台 北 市 南 港 區 11529 研 究 院 路 二 段 128 號<br />
電 話 :<br />
辦 公 室 :02 2789 6766<br />
實 驗 室 :02 2788 0058 ext: 1130, 1131, 1018<br />
無 塵 室 :02 2788 0058 ext: 1128<br />
傳 真 : 02 2789 2443<br />
網 址 : http://www.phys.sinica.edu.tw/~quela
大 綱<br />
1. 由 大 表 面 積 造 成 的 效 應<br />
2. 尺 寸 限 制 展 現 的 效 應<br />
3. 表 面 電 漿 子 效 應<br />
4. 光 子 晶 體<br />
5. 電 子 元 件<br />
6. 再 生 能 源 電 池
什 麼 是 奈 米 (nano-meter) = ?<br />
1 米 = 1 m<br />
1 釐 米 ( 公 分 ) = 1x10 -2 m<br />
1 毫 米 = 1x10 -3 m<br />
1 微 米 = 1x10 -6 m<br />
1 奈 米 = 1x10 -9 m<br />
0.1 奈 米<br />
指 頭<br />
人 高<br />
紅 血 球<br />
分 子 及 DNA<br />
氫 原 子
NanoSci<br />
Nano<br />
Lab<br />
奈 米 下 之 物 理 化 學 性 質 是 否 會 改 變 ?<br />
表 面 / 體 積<br />
比 例 增 加<br />
clusters # of atoms Surface area %<br />
100<br />
表 面 原 子 數 比 例 (%)<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0 10 20 30 40 50<br />
粒 徑 (nm)
熔 點 變 小<br />
金 的 熔 點 與 顆 粒 大 小 的 關 係<br />
熔<br />
點<br />
1064 C<br />
顆 粒 大 小
自 然 界 存 在 的 現 象<br />
http://nano.nchc.org.tw/photonic/ch1.php<br />
http://www.botanik.uni-bonn.de/system/lotus/en/<br />
lotus_effect_html.html
蓮 花 效 應<br />
1 6 0 °
人 造 表 面 粗 糙 度 與 水 滴 接 觸 角 度 的 關 係<br />
170<br />
160<br />
Contact Angle 169 o<br />
Contact Angle<br />
150<br />
140<br />
130<br />
120<br />
Chen et al, SPIE (2004)<br />
From P.L.Chen et al, AS-ASRC (2003)<br />
Contact Angle 120 o
聲 子 能 階 與 電 子 能 階<br />
聲 子<br />
電 子<br />
ג<br />
= ½ d ג<br />
= 2/3 d ג<br />
= 1 d ג<br />
= 2 d ξ =<br />
3<br />
(5.58 nm)<br />
3<br />
γ d<br />
v m<br />
ξ= 0.04-0.12 K d=26 nm<br />
ξ=0.2-0.6 and d = 22<br />
ξ=2.5-7.6 K d = 3.1 nm
CdSe Structure<br />
CdSe 奈 米 微 粒 之 螢 光 顏 色 與 粒 徑 之 關 係<br />
2 nm CdSe 電 子 顯 微 鏡 圖<br />
CdSe 之 吸 收 光 譜<br />
吸<br />
收<br />
光<br />
譜<br />
A.U<br />
~ 5 nm<br />
~ 4 nm<br />
~ 3 nm<br />
300 350 400 450 500 550 600 650 700<br />
光<br />
Wavelength<br />
波 波 長 (nm)<br />
(nm)<br />
Small Size<br />
Large size
NanoSci<br />
Nano<br />
Lab<br />
Fullerenes<br />
C 60 C 70 RbC 60
Lab<br />
奈 米 碳 管<br />
NanoSci<br />
Nano
如 何 觀 察 奈 米 世 界 ?<br />
穿 透 電 子 顯 微 術 (STEM)<br />
2 nm CdSe 電 子 顯 微 鏡 圖
掃 描 穿 隧 顯 微 儀<br />
(Scanning Tunneling Microscopy)<br />
Rohrer and Binnig-1981
Lab<br />
原 子 圖 像<br />
NanoSci<br />
Nano
奈 米 尺 度 下 的 操 控 - 平 移 原 子 操 縱 術<br />
D.M. Eigler IBM, Amaden
國 內 奈 米 科 技 發 展 案 例<br />
以 場 蒸 發 原 子 操 縱 術 製 作 世 界 上 最 小 之 臺 灣 地 圖<br />
100 Å<br />
( 中 研 院 鄭 天 佐 博 士 等 提 供 )
Periodic Hermitian Eigenproblems in 1d<br />
k is periodic:<br />
k + 2π/a equivalent to k<br />
“quasi-phase-matching”<br />
ε 1 ε 2 ε 1 ε 2 ε 1 ε 2 ε 1 ε 2 ε 1 ε 2 ε 1 ε 2<br />
a<br />
ε(x) = ε(x+a)<br />
ω<br />
band gap<br />
–π/a<br />
0 π/a<br />
irreducible Brillouin zone<br />
k
以 PMMA/LOR 製 作 的 光 子 晶 體<br />
#1 #2<br />
2μm<br />
50μm<br />
#3 #4 #5<br />
50μm
Intel Transistor Scaling and Research Roadmap<br />
• High Performance Logic<br />
• Low Operating Power Logic
我 們 的 實 驗 工 作
陳 啟 東 — 量 子 電 子 元 件 實 驗 室<br />
Superconducting-Magnetic Electronics<br />
suspending nanoparticle devices<br />
electrodes with a 5nm gap<br />
ferromagnetic-superconductor device<br />
NiFe<br />
15nm<br />
100 nm<br />
5nm<br />
Al<br />
AuPd<br />
Co<br />
150 nm<br />
0.5μm<br />
Suspending wire devices<br />
Single electron devices<br />
Si layer<br />
1 μm<br />
1 μm
量 子 電 子 元 件 實 驗 室<br />
Suspended 懸 浮 喔 !<br />
single wall carbon nanotube<br />
Nanowire electronic devices<br />
Bi 2<br />
Te 3<br />
wire, 中 研 院 物 理 所 陳 洋 元 教 授<br />
InN wire 台 大 凝 態 中 心 林 麗 瓊 教 授<br />
500nm<br />
Multiwall carbon nanotube<br />
Ni 3<br />
Si 2<br />
wire, 清 大 材 料 陳 力 俊 教 授<br />
Carbon Helix 原 分 所 陳 益 聰 教 授<br />
3<br />
1 2<br />
3<br />
4 5<br />
7<br />
8<br />
9<br />
2<br />
4<br />
6<br />
5<br />
2μm
量 子 電 子 元 件 實 驗 室<br />
Photonic Crystals<br />
Si-based 2D photonic crystal PMMA quasi-2D photonic crystal PMMA-LOR lattice structure<br />
5μm<br />
1μm<br />
1μm<br />
Nano Fabrication technology<br />
Au-nanoparticle pattern<br />
CdSe 2D-pillars<br />
1 μm 1μm
攜 帶 式 能 源 --- 電 池<br />
水 電 解<br />
氫 氧 電 池<br />
A<br />
O<br />
H 2<br />
2 O 2<br />
H 2<br />
2H 2 O2H 2 +O 2<br />
2H 2 +O 2 2H 2 O<br />
小 提 示 : 氫 氧 電 池 的 概 念 是 由 電 解 水 的 逆 反 應 而 來
電 從 哪 裡 來 ?<br />
燃 料 電 池 的 電 化 學 原 理<br />
氫 氣 入 口<br />
氧 氣 入 口<br />
水 出 口<br />
陽 極<br />
流 體 通 道<br />
質 子 交 換 膜<br />
流 體 通 道<br />
陰 極<br />
H 2 → 2 H + + 2 e -<br />
½O2 + 2 H + + 2 e - → H2O<br />
全 反 應 式 : H 2 +½ O 2 → H 2 O
直 接 甲 醇 燃 料 電 池<br />
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC(<br />
DMFC)<br />
甲 醇 溶 液 產 生 6H + + 6e -<br />
Toshiba
‧ 熱 電 材 料 - 另 一 種 太 陽 能 與 再 生 能 源 電 池<br />
Solar cell<br />
Thermoelectric material<br />
α(V/K)<br />
ε<br />
Basic structure of a generic silicon PV cell<br />
優 點 :<br />
無 band width of light
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