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奈米概論

奈米概論. 主講人 : 許信儀 中華民國 95 年 3 月 2 日. 綱 要. 一、 認識奈米 二、 摩爾定律 (Moore’s Law) 三、 自然律與奈米科技 四、 奈米科技應用概述 五、 我國奈米科技策略 六、 奈米科技的過去與未來 七、 奈米革命 八、 結語. 一、 認識奈米. 1 、 什麼是奈米 ? 國科會科技資料中心主任孟憲鈺：「奈米不是一種米」。 1 奈米（ 1nm ） =10 -9 公尺（ m ），即十億分之一公尺 。

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奈米概論

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Presentation Transcript

  1. 奈米概論 主講人 : 許信儀 中華民國 95 年 3 月 2 日

  2. 綱 要 • 一、 認識奈米 • 二、 摩爾定律(Moore’s Law) • 三、 自然律與奈米科技 • 四、 奈米科技應用概述 • 五、 我國奈米科技策略 • 六、 奈米科技的過去與未來 • 七、 奈米革命 • 八、 結語

  3. 一、 認識奈米 • 1、 什麼是奈米? • 國科會科技資料中心主任孟憲鈺：「奈米不是一種米」。 • 1奈米（1nm）=10-9公尺（m），即十億分之一公尺 。 • 地球 一粒彈珠 縮小 十億分之一 （直徑12800km ） （直徑1.4cm）

  4. 2、 奈米現象 • 物質在介於1~100nm之大小時，會產生特異的物理現象。 • 更堅韌、更有磁性、更能導電、 更抗熱等。 • 全新材料。

  5. 二、 摩爾定律(Moore’s Law) 1 、 1950年代的第三波資訊革命，就是 奠基於矽半導體產業的「微米化」製程。 2 、1964年半導體專家摩爾(Gordon Moore)，也是英特爾公司總裁，曾經提出所謂「摩爾定律」(Moore’s law)預測在可見的未來中，「每逢約18個月，半導體晶片內的電晶體數目可得倍增(double)」。

  6. Nano Science and Nano Technology • Semiconductor process Lithography Wafer m ~10 nm • Chemistry and physics Atom nm ~10 nm Bulk down Synthesis SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 6

  7. 3、奈米科技是設法操縱(manipulate)個別原子和分子，以組合為產品的技術。換言之，奈米科學的真正意義是當材料尺寸減小到納米等級後，這所表現出的一些新奇的物理效應。發現、操作、利用這些效應，可能會在資訊、生物、能源領域帶來深刻的技術革命。 4、奈米科技需要廣泛的領域智識技術相配合才能發揮其力量。這各方面學理包括物理，化學，生物，醫學，材料等各學問。

  8. 三、 自然律與奈米科技 1、在大自然中，處處可見「奈米結構」和「奈米組裝」的自然神秘現象。

  9. 2、在奈米科技的領域裡，我們正在學習模仿這種自然律的應用。 3、矽科技(silicon technology )就是正在利用並操作自然律的化學反應將矽原子變成矽結晶，從矽結晶製作為微晶片。

  10. 4、「奈米科技」為突破上微細化技術性困境，就將物質藉化學反應來先製造出微小的原子或分子，再讓數十億的這些原子在一個桶內混合而先讓各原子或分子結合為聽明的建築磚塊，再從這些建築塊藉「自動組裝」的自然律形成為所需的聰明材料。 5、從奈米科技的觀點，模仿這種「自己重疊」或「自動組製」的自然律也叫著”桶化學”是建築工程能夠成功建造的關鍵，也造出許多奈米世界的遠界。

  11. 6、過去的科技致力於使用傳統電子工程「由上而下」的微細化技術來製作微回路，但奈米科技就是恰恰相反，「由下由上」的技術，就是讓分子的自動組裝特性主動解決這個麻煩的過程。6、過去的科技致力於使用傳統電子工程「由上而下」的微細化技術來製作微回路，但奈米科技就是恰恰相反，「由下由上」的技術，就是讓分子的自動組裝特性主動解決這個麻煩的過程。

  12. 四、 奈米科技應用概述 1、微電子器材 2、奈米材料 3、生醫和農業 4、環境與能源 5、國防工業

  13. SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 15

  14. Scopes of NSC Nano Science Program • Fundamental studies in nanostructured systems • Fabrication of nanomaterials • Microscopy and manipulations of nanomaterials • Functional device and design of nanosystems SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 17

  15. 2001 Grants for Nanoscience and Technology-NSC SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 18

  16. 2001 Grants for Nanoscience and Technology-NSC SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 19

  17. 2001 Grants for Nanoscience and Technology-NSC 20

  18. Projected Budget for Nanoscience Program SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 21

  19. 國內發展趨勢—學術卓越計劃 Fundamental research Nanomaterials manipulation Nanodevice NEMS • 高表面積材料 • 奈米顆粒/管/纖維 • 奈米結構及複合材料 • 生物與非生物介面材料 • 生物分子協同自組材料 • 奈米探測與操控 • 單探針與多探針掃描 • 理論基礎研究 • 單電子元件 • 磁電與自旋電子元件 • 量子元件 • 分子與生物分子偵測 • 奈米連線與波導 • 生物/非生物物質介面 • 超高密度元件陣列 • 藥物傳遞元件 • 微感測致動器 • 微定位系統 • 微機械組裝系統 • 微型生物檢測系統 • 奈米顯影加工 SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 22

  20. International Linkages ITRI Nanotechnology Center MEMS, Nano Fabrication Open Laboratory Space Experimental Facilities Nano Scale Characterization Support Modeling Support Education & Training Other Support Research Infrastructure Industry & Academia Outreach Open Laboratory Core Projects ITRI Nanotechnology Projects New Company startup Major Application Projects International Collaboration Academia Collaboration Basic Skills Development Industry Collaboration Nano- Material Nano- Chemicals Nano-Electronics Nano- Biotech Nano- Photonics …. 工研院奈米技術五年計畫運作構想 建立奈米育成中心， 加速奈米技術商品化 以產業應用技術為主， 建立國內自主IP SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 23

  21. 奈米技術發展五年計畫架構 奈米電子元件技術 奈 米 技 術 發 展 五 年 計 畫 奈米光電元件技術 奈米電子技術 奈米機電元件技術 奈米材料製造技術 材料奈米技術 奈米材料應用技術 奈米檢測分析技術 奈米檢測及設備技術 奈米設備發展技術 SPRAD LAB／NCTU 交大電研所元件特殊製程及可靠度分析實驗室 24

  22. 因應未來10年間的奈米電子競賽，工研院的產業化研發重心集中在最有希望致勝的五大類明星產業上。因應未來10年間的奈米電子競賽，工研院的產業化研發重心集中在最有希望致勝的五大類明星產業上。 第一項微機電系統 • CMOS矽晶片是半導體製程，是台灣目前最重要的產業之一，台積電在2003年將可推出線寬僅90奈米的找程，下一個目標是65奈米依估計矽晶片半導體製程可能到9奈米的極限。

  23. 第二項：新世代顯示器 • 採用奈米碳管場效發射的顯示器。 • 高分子材料所做出的「可撓式顯示器」。 第三項：奈米電射光源 • 奈米電射光源是由少量原子所聚集而成的物體所構成的「量子點」。量子點電射(quantum dot lasers )是一種未來光通訊可用的光源。

  24. 第四項：高密度資訊儲存媒體 • 目前一片DVD的儲存量是4.7Giga-bytes，若是儲存點大幅縮小(即儲存位元密度提升)，估計未來將可達到兆位元為單位的密度，容量(儲存量)將是現在的200多倍。 第五項：微型燃料電池 • 預估2006年時，我國可以研發出待機長達50天的手機電池。筆記型電腦電池可以延長到12小時。

  25. 六、 奈米科技的過去與未來 • 過去 • 1959年 諾貝爾獎金得主，著名物理學家費曼在American Physical Society 年會上演講專題”There’s Plenty of Room at the Bottom”中提出為奈米科技開拓了新視野和遠景。 • 1962年 日本物理學家久保亮五提出了著名的久保理論的「量子限制理論」來解釋金屬超微粒子所呈顯的能量不連續現象。是後，科學家開始瞭解到物質在超微形態(奈米尺寸)之下，會表現不同於平時所見的性質。

  26. 1974年 日本科學大學教授谷口紀男率先著作奈米科技書，命名 ”Nanotechnology” • 1982年 IBM在Zurich Researth Center 兩位科學家Gerd Binning 和Heinrich Rohrer研製了世界第一臺「掃瞄穿隧式顯微鏡」可以觀察到金屬物質表上單個原子排列的儀器。 • 1986年Binning和同事又進一步發明「原子力顯微鏡」(Atomic Force Microscope;AFM)

  27. 1984年德國科學家Herbert Gleiter 發現奈米級二氧化鈦瓷粉粒具有極強的韌性 • 1985年英國Sir Harold W.Kroto(University of Sussex)和美國Robert F.Cuil Jr.和Richard E. Smalley (Rice University)從石墨中純化出「碳60」奈米結構的第三種(石墨、鑽石以外)碳結晶體稱為富勒體。因為這發現獲得1996年諾貝化學獎。 • 1991年由日本NEC研究員飯島澄男所發現的「奈米碳管」成為奈米科技的主要原料。

  28. 1990年美國IBM公司研究員Don Eigler成功地將35個氙(Xe)(Xenon)原子於鎳(Ni)基板排出IBM三個英文字母，人類史上第一次依自已的意志操作原子排列原子書法(atomic calligraphy) • 1990年7月 第一屆國際奈米科技會議在美國舉行 • 1991年D.Eigler和同事用Xenon/Nickellx系統製作原子開關(atomic switch)

  29. 1993年D.Eigler和同事在一磁性(magnetism)實驗中從STM觀察到銅表面鐵原子受表面電子波(surface electron waves)物質的介觀涉及量子物理(quantum physics)領域，奈米科技就是已進入量子境界的波性質(wave nature)的應用。 • 1999年發明奈米秤，可量十億分之一克 • 2003年5月美國國會通過「2003奈米技術研究發展法案」在未來奈米科技研究撥款2千億美元，讓美國在奈米科技擁有領先地位。

  30. 未來 • 「如果有一天，可以按照人類的意志安排一個個原子，那將會產生怎樣的奇蹟？」隨著奈米技術、奈米材料的出現，一個嶄新的時代即將撲面而來。 • 奈米技術發展可能經歷五個階段 • 1.發展重點，是要準確地控制原子數量在 100個以下的奈米結構物質。 • 2.生產奈米結構物質。 • 3.大量製造複雜的奈米結構物質將成為可能。

  31. 4.奈米電腦將在第四個階段中得以實現。 • 5.科學家們將研製出能夠製造動力源與程式自動化的件和裝置 。 • 小小奈米真神奇機器人爬進血管裏。 • 製造出具有「特異功能」的產品。 • 奈米悄然走近你的身邊 。 • 奈米陶瓷，無論你怎樣摔，它都不會破。 • 摩托車、自行車用奈米金屬做，它的堅韌度比一般金屬強幾十倍，而重量只有原來的十分之一。

  32. 「蚊子」導彈質量不足10千克的「麻雀衛星」，只有小水滴大小的「奈米炸彈」「微型軍團」 。 • 奈米技術離我們並不遙遠，事實上，生活中的化妝品、塗料、食品都可能是應用了奈米技術的產物

  33. 奈米媚力無窮 • 奈米保養品，讓妳水噹噹。 • 奈米馬桶，不留黃金不發臭。 • 奈米電池，待機一百天，充電只要幾秒鐘。 • 奈米網球，不怕下雨不變形。 • 奈米生物晶片，抓病快又準。 • 奈米藥粉，吸收更快療效更好。 • 奈米衣料，輕薄短小超舒爽。 • 奈米房屋，住得安全又健康。

  34. 七、 奈米革命 • 奈米技術已經悄悄給人類生活帶來了種種變化，而對原子和分子的進一步駕馭，將引發一場比微米技術更為深遠的大規模變革。在醫學保健、電腦、化學和航太等性質迥異的領域，奈米技術更將成為一種革命性技術。

  35. 中國國家奈米材料科學首席專家張立德指出，奈米科技將對人類產生深遠的影響，基至改變人們的思維方式和生活方式。奈米技術將在21世紀對我們的社會、經濟以及國家安全產生重大影響。「奈米技術計劃」是繼人類基因組計劃之後，美國提出的又一項重大科研計劃。

  36. 第四波工業革命 • 美國國家科學基金會奈米科技小組推估，未來10到15年，奈米科技產值可達一兆美元。 • 奈米商業聯盟協會，預測2015年，奈米科技產值一兆美元。 • 中國大陸每年投入人民幣數十億元。 • 台灣從92年度起將投入230億元，估6年後廠商超過800家，產值3000億元。2012年，產值一兆元 。

  37. 目前全球至少有超過30個國家在奈米領域中發展國家型計劃，奈米廠商已有625家。 • 2002年美國即投資6.4億美元，日本投入350億日圓，歐盟計劃2002-2006投入13億歐元。 • 我國奈米產值目標2010年占全球5% 。 • 奈米工業納入新興策略產業。

  38. 中研院物理所所長吳茂崑說，奈米科技的應用是革命性、全面性、從太空科技到生物科技，從電腦工業到民生工業；任一領域都可以見他的運用面，可謂「包羅萬象」。

  39. 專家估計，日本到 2010 大30倍的大容量光傳輸系統 2012 無痛感的注射器 2014 價格1/10之燃料電池 2022 以蛋白質， DNA為元件之電腦 • 專家預測2010年奈米產品在日本國內市場產值十萬億日圓

  40. 八、結 語 • 1 、奈米雖小，卻是大希望。 • 2 、半導體四十年，奈米十年。 • 3、傳統產業要翻身，靠它；新興科技要 升級，靠它。 • 4 、十年後，生活中充滿奈米。

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