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奈米材料是一群原子和分子的組合，其研究主要是針對尺度在1~100nm 材料的製造技術和新材料性質的研究，奈米材料是現今奈米科技領域當中相當重要的一支，最早利用奈米材料來命名材料開始於20世紀的80年代，此時也將奈米 材料的顆粒尺寸定義為1~100nm，然而奈米材料的發展則更早於此時。1962年，日本久保等人對金屬超微粒子進行研究，提出相當著名的久保理論，即是 超微顆粒的量子限域理論，開啟探索奈米尺度超微顆粒的大門。
1987年，日本豐田研究所成功研發Nylon6和Clay的奈米高分子複合材料，從而開啟奈米材料的研究風潮。1990年7月在美國巴爾的摩舉辦國際第 一屆奈米科學技術學術會議，正式將奈米材料科學劃分為材料科學的另一全新分支。近年來，由於奈米材料表現出不同於以往傳統塊狀材料的物理特性，使得各國科 學家們對此現象大感興趣，並積極投入研發的工作。
由於材料科技是21世紀產業發展的原動力，也是整體產業之基礎，其中奈米材料科技，近年 來在科技先進的國家裡為新材料的創出，明顯地提供新的方法，不斷地推出創新產更為世人有目共睹。儘管奈米材料只不過是傳統材料經奈米技術處理，而獲得具有 化學上的表面與介面效應、光電磁學上的量子尺寸效應和小尺寸效應等獨特特性的材料而已。可是應用它，可使產品不但輕薄短小，更具省能源、高容量密度、高精 細、高性能、高功能和低公害卻是不爭的事實，可帶給傳統產業昇級，高科技產業持續發展和永續經營，為先進工業國家深信不疑，同時也引來舉世對奈米材料技術 的格外重視和熱烈投入，使得奈米材料在仕球各應用領域上均被視為前瞻材料，為新材料和次世代之光、電、磁元件的建構基石。毋庸置疑，材料科技朝奈米級尺度 發展已是大勢趨，並且已造成在歐美日形成一波又一波研究發展的熱潮。
當此之際，為了及時與我國優勢產業結合，迅速創新商品開拓商機，使我 國產業躍升高科技化成長，迎頭趕上歐、美、日，其中從著重奈米材料科技及其應用紹開始，普及全民認識奈米，推及快速造就更多的奈米材料科技人才蔚為國用， 為我國當前必要的科技重點工作之一，也是最快速的落實之道。
7-2 奈米材料的定義
奈米材料是奈米科學技術的基礎，正引 起世界各國的廣泛的關注。現代材料和物理學家所稱的奈米材料是指固體顆粒小到奈米(1奈米=10-9米)尺度的奈米微粒子(也稱之 為奈米粉)和晶粒尺寸小到奈米量級的固體和薄膜。奈米材料又稱為超微顆粒材料，由奈米粒子組成。奈米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1~100nm間的 粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，從通常的關於微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系 統，它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。同時顯示出許多奇異的特性，即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比 將會有顯著的不同。
7-3 奈米材料結構
除了尺寸的限制之外，奈米材料在結構上可以分為以下三種形式：顆粒狀(代表零維 奈米材料，0D)、柱狀或線狀(代表一維奈米材料，1D)以及層狀(代表二維奈米材料，2D)。舉例來說，為何稱『一維』奈米材料？因為該材料在空間的三 個維度中，有一個維度的長度並不一定局限於奈米尺度。同理，零維奈米材料代表其三維都受限於奈米大小。而二維奈米材料代表材料的三維尺度之中，有一維(快 就是厚度)必須局限於奈米大小。
7-4 奈米材料的種類
大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米薄膜、奈米塊體等四類。其中 奈米粉末開發時間最長、技術最為成熟，是生產其他三類產品的基礎。
(1) 奈米粉末(Nano Powder)
又稱為超 微粉或超細粉，一般指粒度在100奈米以下的粉末或顆粒，是一種介於原子、分子與宏觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於：高密度磁記錄材料；吸 波隱身材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶矽和精密光學器件拋光材料；防輻射材料；單晶矽和精密光學器件拋光材料；微晶片導熱基片與布線材料；微電子封裝 材料；光電子材料；先進的電池電極材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷，用於陶瓷發動機等)；人體修 復材料；抗癌制劑等。
(2) 奈米纖維(Nano Fiber)
指直徑為奈米尺度而長度較大的線狀材料。可用於：微導 線、、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料；新型鐳射或發光二極管材料等。如奈米碳管；奈米纖維；奈米柱等。
(3) 奈米薄膜(Nano Film)
奈米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是奈米顆粒粘在一起。中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但 晶粒尺寸為奈米級的薄膜。可用於：氣體催化(如汽車尾氣處理)材料；氣體感測材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導材料 等。
(4) 奈米塊體(Nano Bulk)
是將奈米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的奈米晶粒材料。主要用途 為：超高強度材料；智慧金屬材料等。
對奈米材料的認識才剛剛開始，目前還知之甚少。從個別實驗中所看到的種種奇異性質，說明這是一個非常 誘人的領域，對奈米材料的開發，將會為人類提供前所未有的有用材料。
7-5 奈米材料的特性
(1) 特殊的光學性質
當 黃金被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在奈米微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑 變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬奈米微顆粒對光的反射率很低，通常可低於1%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光 熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。
微粒尺寸縮小時，光吸收度或微波吸收度都顯著增加，並且產生吸收峰等離子的 共振頻移，產生新的光學特性，如對紅外線有吸收和發射作用，但對紫外線有遮蔽作用等，不同粒徑材料的遮蔽力將隨光波長大小而有所不同。
(2) 特殊的熱學性質
固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於10奈米量級時尤為顯著。 例如，金的常規熔點為1064度C，當顆粒尺寸減小到10奈米尺寸時，則降低27度C，2奈米尺寸時的熔點僅為327度C左右;銀的常規熔點為670度 C,而超微銀顆粒的熔點可低於100度C。因此,超細銀粉製成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時元件的基片不必採用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑膠。
奈 米材料表面原子的振幅約為內部原子的1倍，著粒徑逐漸減小，表面原子的比例也逐漸日增，奈米材料的熔點將會降低。奈米微粒在低溫時，其熱阻很小，熱導性極 佳，可做為低溫導熱材料。
(3) 特殊的磁學性質
人們發現鴿子、海豚、蝴蠂、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物中存在 奈米微的磁性顆粒，這生物在地磁場導航下能辨別方法，使這類生物在地磁場導笐下能辨別方向，具有回歸的本領。磁性奈米微顆粒實質上是一個生物磁羅盤，生活 在水中的趨磁細菌依靠它遊向營養豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細菌體內通常含有直徑約為20奈米的磁性氧化物顆粒。
由於 奈米材料的小尺寸效應，使得磁有序態轉變成磁無序態，超導相轉變為正常相，因而產生新的磁學特性。當顆粒粒徑減小時，其磁化率隨溫度降低而逐漸減少。像是 鐵－鈷－鎳合金這樣的強磁性材料的奈米微粒，其信號雜訊比極高，可供做為記錄器使用。
(4) 特殊的力學性質
陶瓷材料在 通常情況下呈脆性，然而由奈米微顆粒壓製成的奈米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為奈米材料具有大的介面，介面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條 件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。
由於奈米材料表面原子的配位不足，再加上極強的凡 得瓦力的作用下，使得奈米複合材料的強度、耐磨性、韌性、耐壓性、抗老化性、緻密性與防水性等特性大為增加和改善。
7-6 奈米材料的物理效應
(1) 小尺寸效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，導致其對光、電磁、熱力學、聲等物性展現跟 其塊材(bulk materials)時不同的效應。諸如大多數的金屬材料為之光吸收顯著增加、矯頑力(coercive force)增加、熔點下降。
(2) 表面效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，其表面原子數隨之增多，比表面積隨 之增加，為之表面能亦增加而活性提高的效應。諸如一些金屬或金屬氧化物為之很容易跟其他原子結合，曝露在空氣中會吸附氣體，並進行反應，甚而自燃。
(3) 量子尺寸效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，一材料如金屬和半導體其價帶(valence band)和能帶(energy band)的帶隙會為之變寬的效應，向展現絕緣性。
(4) 量子穿隧效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，一些材料 的奈米粒子而具有貫穿能障(barrier)能力的效應。
(5) 庫倫堵塞效應
指當材料隨奈米化，大小趨向奈米尺寸，一 些材料如金屬和半導體呈現充放電和放電過程是不連續的效應。換言之，電流隨電壓的上升不再呈現直線上升，而階梯式上升。
7-7 奈米材料的製備方法
奈米材料依類型可大致分為奈米微粒、奈米纖維、奈米薄膜和奈米塊體四種，其中奈米薄膜和奈米塊體皆來自於奈米微粒，因 而奈米微粒的製備更相當重要。奈米微粒的製備方法大致可分為物理和化學兩種製備方法。物理製備方法可區分為：氣相冷凝法、機械球磨法、物理粉碎法、熱分解 法、超臨界流體法等；化學製備方法則可區分為：化學氣相沈積法、溶膠凝膠法、微乳液法、聚合物接枝法、化學沈澱法、水熱合成法、電弧電漿法、聲化學方法 等。
(一) 奈米微粒子的物理製備方法
(1) 氣相冷凝法
用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化 或形成等粒子體，然後驟冷。其特點純度高、結晶組織好、粒度可控，但技術設備要求高。
(2) 物理粉碎法
通過機械粉碎、 電火花爆炸等方法得到奈米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產品純度低，顆粒分佈不均勻。
(3) 機械球磨法
採用球磨方 法，控制適當的條件到純元素、合金或復合材料的奈米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產品純度低，顆粒分佈不均勻。
(4) 熱分解法
利 用加熱到高溫的方式將複合物分解以製備奈米複合材料，如在真空狀態下，以約300度C的高溫熱分解複合物Si8O12H6．(CoCCo4)2可 得到包含有Co2C奈米微粒的非晶體矽複合材料。
(二) 奈米微粒子的化學製備方法
(1) 化學氣相沈積法
利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成奈米材料。其特點產品純度高，粒度分佈窄。
(2) 沈澱法
把 沈澱劑加入到鹽溶液中反應後，將沈澱熱處理得到奈米材料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。
(3) 水熱合成法
高 溫高壓下在溶液或蒸汽等流體中合成，再經分離和熱處理得奈米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控制。
(4) 溶膠凝膠法
金 屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經低溫熱處理而生成奈米粒子。其特點反應物種多，產物顆粒均一，過程易控制，適於氧化物和II~VI族化合物的制 備。
(5) 微乳液法
兩種互不相溶的溶劑在表面活性的作用下形成乳液，在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理後得奈米粒 子。其特點粒子的單分散和介面性好，II~VI族半導體奈米粒子多用此法制備。
7-8 奈米材料之特性與用途
7-9 奈米材料之市場
7-10 結語
未來數年，在我國的奈米型 國家計劃推動，產官學的通力執行下，預料奈米材料科技研發將會是百家爭鳴。預期不論是奈米材料應用於奈米粒子、奈米薄膜、奈米元件、塊狀材料等方面，其基 本合成的加工處理方法，或在期間保持其奈米結構與物化性質的穩定性，都將獲得進步改善。另外在奈米材料及元件的量產與製程控制力，也將從掌握製程、結構與 性能間的關係，和統計方法的協助作進一步提升。同時在奈米材料的分析及多尺度模擬方面，也將落實學術研究和產業研究及生產應用。在奈米材料的跨領域特性 下，相關材料教育理念與課程設計及人才培訓，也會與時蛻變，走向e-learning時代，學術界和產研界彼此相互支援，與產業界相輔相成，共創雙贏。
奈 米材料的應用範疇相當廣泛，由於各種不同的奈米材料都具備各自的獨特效應，因而導玫其處在外加場(如電場、磁場等)的作用下，會呈現不同的特異性能，可應 用於高性能催化劑、超導材料、吸波材料(隱形材料)、複合材料、發光材料、特殊塗料、磁記錄材料、以及醫用材料等經濟價值相當高的領域方面。由於奈米材料 表現出不同於以往傳統塊狀材料的物理特性，世界各先進國家皆將奈米技術列為關鍵重點開發技術。由於未來不論傳統產業或是高科技產業，都非常需要奈米材料來 加以配合，奈米材料的研究則必須要從基礎研究開始慢慢達到所需的要求。我國現階段具備相當多半導體和微電子工業的實力，未來幾年奈米材料和科技領域的發 展，將是攸關我國未來是否具備全球競爭力的重要關鍵。
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