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光可用來驅動分子機器 2002/05/10

奈 米級元件極可能在未來的電子、醫藥及通訊上扮演重要的角色，然而要發展這類元件的一大挑戰卻是如何找到適當的能量來源。最 近，科學家首度以光來驅使單一分子產生機械功。慕尼黑Ludwig-Maximilians大學的Hermann Gaub等人將光照射在一個聚合物分子上，使其伸張或收縮。分子的一端連接著懸臂樑，用來重覆測量分子在一個週期中所產生的力。T Hugel et al, Science 296, p.1103 (2002).

三明治結構可節省太陽電池成本 2003/02/12

美 國科學家發現，採用三明治結構的太陽能電池將可以大幅降低其製造成本。傳統太陽能電池的設計是利用矽材半導體吸收光能，形成 電子與電洞，並將電荷收集送至電極；然而只有昂貴的純矽才具有較高的光致電(photovoltaic)效應，所以在成本方面太陽電池一直無法與石化燃料 或核能發電相抗衡。加州大學聖塔巴巴拉分校化工系的E. WcFarland與J. Tang所設計的裝置主要包括一層染料分子與其下方的金/二氧化鈦/鈦(Au/TiO₂/Ti)多層薄膜結構。染料分子吸收光子後 所釋出的電子，穿過金薄膜後，由二氧化鈦層收集起來，染料分子損失的電子則由金屬材料補充。由於不需要透過半導體材料來吸收太陽能，製程上便可以較便宜的 半導體材料所取代。目前該實驗的光電轉換效率低於1%(標準太陽能電池的效率約為15%)，研究人員希望藉由微調結構、尋找新材料與增加表面積來提高其轉 換效率。詳見E. McFarland and J. Tang, Nature 421, p.616 (2003).

微機電系統可望為盲胞帶來光明 2002/09/11

由 微機電(microelectromechanical, MEM)系統組成的電極陣列成為盲人恢復視力的新希望。一些眼疾如視網膜色素病變(retinitis pigmentosa )及黃斑部退化(macular degeneration)只影響病人眼球中負責偵測光線的柱狀及錐狀細胞(rod and cone cells)，並未損及大部份的視神經末稍。一個由美國國家實驗室、大學及民間企業組成的研究小組，發展出這個含有1000個電極的陣列。這個裝置一旦植 入視網膜中，便能以電流刺激病人視神經末稍受損的視網膜。美國能源部已撥款9百萬美元支持這項研究計劃。

兩家美國科技公司將合作研發燃料電池 2002/10/14

美 國的Albany NanoTech及Plug Power公司將合作發展燃料電池(fuel-cell)的技術。燃料電池是靠氫與氧的結合反應來產生電力，由於不涉及燃燒，因此被廣泛視為有效又環保的 能源產生方式。根據這項五百萬美元的合作計劃，兩家公司將在未來五年內針對燃料電池的質子交換薄膜(proton-exchange membrane)電極，研究能促進反應效率的奈米結構。該計劃的目標是希望研發出具有奈米結構的電極，以提升電池的性能同時降低成本。

複合電極可大幅提高鋰電池的效能 2003/03/17

鋰離子電池技術的困難度遠高於其他可充電電池，關鍵技術包括材料配方、電池設計、極板製程、電池封裝、活化及安全測試技術等，其中材料配方主要是開發高性能且低成本的正負極材料，若能獲得突破，將可大幅提升鋰離子電池的效能。
科 學家已知道矽-石墨複合材料能提供十倍於單純石墨電極的電池容量，但受制於電池循環中能量快速損耗的問題，一直未能實行。最近，美國Sandia國家實驗 室的科學家在石墨中添加矽微粒，製成一種新的複合陽極材料，可以突破這個瓶頸，預估能使電池容量提升為一般可充電鋰電池的兩倍。研究人員表示，這種複合材 料的優點在於使用的是普遍又便宜的原料，製造方法又簡單，並可以藉由改變加入石墨晶格中的矽微粒數量，來調整電池的效能。這項成果將有助於製造出比現行可 充電式鋰電池壽命更長、體積更小並能提供更大電力的產品。許多行動式電子產品如手機、手提電腦及個人數位助理(PDA)等，都會因這種新材料而受惠。

壓印微影術能製作60奈米線寬的積體電路 2002/12/16

在 最近於舊金山舉行的「奈米壓印與印刷技術(Nanoimprint and Nanoprint Technology, NNT)研討會」上，普林斯頓大學發表以奈米壓印微影技術在4吋晶圓上製造出奈米級的金屬氧化物半導體(MOSFET)元件。奈米壓印微影是一種新的微影 技術，它捨棄傳統的光學透鏡，採用紫外光與液體浸泡方式將光罩圖案轉移到晶圓上。根據此種技術，透過四層光罩與三層覆蓋對齊，普大研究人員成功製造出60 奈米線寬的金屬氧化物半導體元

單次曝光就能製造三維結構的神奇光罩 2003/02/12

半 導體製程中的光微影術(photolithography)是將光罩上的圖案轉移到矽晶圓上，由於傳統光罩對紫外光而言是 「全過或全不過」，即未遮蔽的部份紫外光全部通過，遮蔽的部份則完全擋住，因此曝光後光阻材料上的圖案都有一致的高度，因此必須經由多次曝光程序才能顯現 三維結構，不僅耗時，成本也高。為克服這個缺點，美國西雅圖華盛頓大學的Folch教授等人最近開發了一種灰階(gray-scale)光罩，它是由一種 對紫外光透明的聚合物所構成，其中添加了能吸收紫外光的染料，經由改變染料濃度即可控制通過光罩後的光強度，因此採用這種光罩僅需一次曝光就可在光阻材料 表面刻劃出三維結構，即使像楔形或階梯形等複雜結構也能在幾秒鐘內形成。詳見即將出刊的C Chen et al. 2003 Proc. Nat. Acad. Sci.。

研究人員已能模仿薄膜輸送管道 2002/04/23

法國居里研究所(Institut Curie)的科學家製造出一種體外(in vitro)的系統，可以模仿在不同部位的細胞間傳遞資訊的薄膜輸送管道。研究人員說，這套系統能協助他們瞭解細胞間的蛋白質運送，將來也可能應用在奈米科技方面。

化學噴劑效法蓮花的自潔功能 2002/11/11

蓮 花如何出污泥而不染？這是因為它具有自潔效應：水滴在蓮葉上會形成水珠而滾落，因此即使淋雨也不會濕，更由於水珠會將葉面上 的塵粒帶走，因此能保持葉面的清潔。蓮葉的表面除了奈米結構外，還有一層直徑約1奈米的蠟結晶，這種在奈米尺寸下顯得粗糙的表面，由於與水或固體的實際接 觸面積小，反而比光滑表面更拒水防塵。德國化學公司BASF正在研發一種由奈米微粒及拒水性聚合物混合組成的鍍膜噴劑，這種名為蓮花石的噴劑模仿蓮花拒水 防塵的自潔功能，將來可望應用在紡織、皮革及建築材料上。

自潔玻璃終於在歐洲登陸 2002/09/19

自 潔(self-cleaning)玻璃向來是平面玻璃製造商如Pilkington公司的夢想。自從去年問世後，該公司的產 品Activ玻璃先是在愛爾蘭、奧地利及美國上市，直到今天才取道歐洲返抵英國。Activ玻璃能自潔的關鍵在於製造過程中在玻璃表面加上一層厚僅40奈 米的超薄鍍膜。該鍍膜的材料以二氧化鈦為主，它所含的光觸媒能與陽光中的紫外線作用，分解掉玻璃表面的有機殘渣；此外，由於該鍍膜為親水性，雨水以整片的 形式流下玻璃時連帶的將灰塵也沖刷掉了。

全新的微影技術為打破摩耳定律帶來契機 2003/01/22

美 國威斯康新大學的科學家發明一種新的微影(lithography)技術，能以線寬為100奈米的光罩製造出線寬為20奈米 的晶片，這種微影技術是藉由改變光罩與晶圓的距離來製造出光的相位移(phase-shifting)，以控制光在通過光罩時所產生的繞射，而此繞射現象 正是傳統微影製程無法製造出比光罩線寬更小的晶片線寬的主因。這種新的技術對傳統光源或X射線光源的微影製程都適用，它將可使半導體工業打破摩耳定律 (Moore's law)，提早八年實現該定律預測的製程能力。

桌上型深紫外雷射性能獲得大幅改善 2003/01/06

科 羅拉多大學的研究人員發展出能大幅提高桌上型深紫外(extreme ultraviolet, EUV)雷射功率並縮短其波長的發法。科大的Margaret Murnane及Henry Kapteyn率先採用高諧產生(high-harmonic generation, HHG)法來提升雷射頻率：在先前發展的桌上型深紫外雷射中，他們以飛秒可見光脈衝雷射照射充滿氣體的空心波導，透過氣體的游離化，將能量由基本頻率提高 至非常高諧，進入奈米級的深紫外範圍。最近，他們在波導直徑上加入起伏，使雷射光產生相位匹配(phase-matching)，成功地將波長由30nm 降至7nm，功率則由100瓦提高至1百萬瓦。這項成果可望開啟新的應用領域，包括下一代的13nm深紫外光微影術及顯微學上。

DNA可協助製造磁性奈米材料 2003/02/27

日 本科學家近日研發出一種可用來製造分子磁鐵的方法，此種方法利用DNA雙股透過鹼基結合的特性，將金屬銅離子串接起來，目前 最多可做到五個並排的銅離子串，研究人員稱之為DNA金屬陣列(DNA metal array)。一般而言，雙股DNA在配對時，都是由四種環碳化合物腺嘌呤(Adenine, A)、鳥糞嘌砱(Guanine, G)、胞嘧啶(cytocine, C)以及胸腺嘧啶(thymidine, T)，而A與T配對、G與C配對。東京大學的Mitsuhiko Shionoya等人以hydroxypyridone(H)替換這些鹼基，在配對時，銅離子正好可做為兩個H的連接橋樑(H-Cu²⁺-H)， 所以當雙股DNA形成時，銅離子便組成一條磁性鏈，離子的間距為0.37nm。除了銅離子外，該研究小組也在進行異離子間連結的研究，並希望採用有三向或 四向接點(3- or 4-way junctions)的DNA，以便將金屬離子以二維或三維的方式排列。詳見Science 299, p.1212 (2003).

奈米金粒子可以大幅提昇生物感應器的效能 2003/03/25

以 色列與美國的科學家以金奈米微粒將葡萄糖氧化酵素貼到電極上，這個酵素-電極裝置最終可以做成微型生物感應器，放入人身體內 測量血糖濃度。耶路撒冷希伯來大學的研究員Itamar Willner指出，將單一金粒子植入蛋白質內，使其充當氧化還原反應中心與電極的接觸點，可提供酵素與葡萄糖進行氧化反應時，電子進入電極的通路。這個 作法可以將自然界中原來每秒700次的電子移轉交換率(electron-transfer exchange rate)，大幅提升到每秒約5000次，電極的分子單一性(specificity)及零敏度(sensitivity)因而大增。靈敏度的提高有助於 實現微型生物感應器，分子單一性則能避免其它分子干擾分析結果，這樣的奈米生物電極才真正具有普及實用的價值。詳見近期的Science雜誌。

光墨水：以電壓改變顏色的彩色電子墨水 2003/03/21

加 拿大多倫多大學的研究人員最近發明一種新型的彩色電子墨水，只要輕輕按下開關，就能在半秒內改變墨水顯現的顏色。先前的電子 墨水原型只能顯示黑白兩色，因此雖然用來做為電子紙(electric paper)的可捲曲螢幕(flexible screen)已經出現，但它們仍採用以紅、綠、藍三個像素(pixel)混色的方法，來產生其他各種顏色。而這種被稱為「光墨水」(photonic ink)的新式電子墨水，其色彩來自於光的繞射過程，它包含許多直徑約300奈米的二氧化矽圓球，像水果攤上的橘子那樣堆疊起來，當光在這些小球間來回反 射，光的干涉會消除部份波長的光，最後反射出特定顏色的光。為了讓光墨水的顏色可變，研究人員在二氧化矽小球的周圍塗上一種聚合物膠，這種膠浸泡在溶劑中 會膨脹，去除溶劑後則會收縮，它的膨脹與收縮會改變奈米小球間的距離，因而改變光的干涉與墨水的顏色；更重要的，膨脹的聚合物膠會導電，因此改變施加於光 墨水的電壓便可改變聚合物膠所帶的電荷，進而改變它被浸泡的程度，而得以平滑地改變光墨水顯現的顏色。這種新式電子墨水可望應用在畫面可捲動的電子報紙， 或是用來製造化學感測器，依所偵測到的物質顯示不同的顏色。

奈米探測器可用來觀察細胞內的活動 2003/03/10

美 國密西根大學的研究人員計畫使用奈米探測器，來取得活細胞內部化學反應的及時三度空間影像；該跨學門的三年計畫已獲得兩百萬 美金的補助。這個稱為PEBBLE(probes encapsulated by biologically localized embedding)的探測器直徑只有20 奈米，小到原則上不會影響細胞的正常功能。鋅離子與銅離子在生物體內的含量很少，但卻對某些生物功能有重要影響。雖然科學家很清楚這些離子如何進出細胞， 但對於它們在細胞內的運動卻所知有限。有了奈米探測器，當生物體內的鋅或銅離子與探測器內的偵測分子結合時，探測器會發光，科學家便能研究這些離子的移動 模式。拜PEBBLE之賜，科學家們第一次見到這些微量的金屬離子在細胞內的工作情形。

蛋白石與碳奈米管的結合 2003/03/20

美 國科學家在人工合成的蛋白石(opal)上生長碳奈米管，製成具有特定光學性質的新材料。新澤西理工學院的研究人員首先以直 徑200至650奈米的二氧化矽(silica)奈米球(nanosphere)合成蛋白石薄膜，以這些排列整齊的二氧化矽球來支撐鉬 (molybdenum, Mo)/鈷(Cobalt, Co)觸媒粒子，然後透過化學氣相沉積法在蛋白石表面生長出平均直徑為0.9奈米的半導體型單壁碳奈米管(single-walled carbon nanotubes)。研究人員對該樣品進行光學性質測試，發現碳管的透射率隨著雷射光的強度增加而變大，在特定入射角度下，透射率有增強的現象；照光會 影響其電流-電壓特性曲線，而拉曼散射會隨著偏壓加大而減弱。研究人員指出，該結構可望用來製成快速、有效的有機全光式(all-optical)或光電 式(electro-optical)開關，以便應用在通訊及感測系統中。這項工作將發表於Applied Physics Letters.

碳奈米管複合物有助於場發射 2002/10/17

美 國的Applied Nanotech公司製造出針對電子場發射(electron field emission)應用的碳奈米管複合物，並宣稱在其特性上獲得重大改善。該公司說，由碳奈米管與其他導電或非導電奈米微粒結合成的複合物，能降低最佳場 發射所需的電壓。通常碳奈米管需要施加至少2.5至4.5 V/μm的電壓才能引起場發射，Applied Nanotech卻宣稱它的碳奈米管複合物在同樣的條件下只需1.5至3 V/μm。

研究人員將碳奈米管紡成長絲 2002/10/24

一 群中國研究人員發展出一項新技術，能由成束排列整齊的碳奈米管陣列中，抽出長達30公分的碳奈米管長絲。清華-富士康奈米技 術研究中心(Tsinghua-Foxconn Nanotechnology Research Center)的科學家原本是要從生長在矽基板上高約數百微米的碳奈米管陣列中，拉出一束碳奈米管，卻意外抽出一條連續的奈米管長絲，類似從蠶繭抽絲的過 程。由於碳奈米管獨特的電子及機械特性主要是表現在軸方向上，因此如果能被製成長絲，將可以用來建構巨觀的結構，同時仍保持碳奈米管的特性。詳見近期出刊 的Nature雜誌。

萊斯大學與IBM合作計算碳奈米管結構 2003/01/30

美 國計算巨擘IBM捐贈一台超級電腦給萊斯大學的生物與環境奈米科技中心(CBEN)，該中心將以該設備來進行與碳奈米管及其 他奈米材料分子結構相關的複雜數學計算。CBEN的創始指導者諾貝爾獎得主Richard Smalley指出，碳奈米管的獨特性質使它的用途超乎想像，但許多應用都需要靠仔細了解它的結構與電子特性，而IBM的機器正好提供研究人員必要的協 助。IBM提供的eServer p690超級電腦使該中心的計算能力倍增，初步的計算顯示即使是小缺陷也會對奈米管的機械與電子特性造成劇烈影響。

奈米簇有助於製造直徑更均勻的碳奈米管 2002/11/01

美 國科學家發明了一種使碳奈米管的大小分佈更均勻的方法。由於碳奈米管的直徑大小與其螺旋性(helicity)及導電性有強 烈關連，因此如何獲得直徑固定的碳管成為非常重要的課題。杜克大學及北卡羅萊那大學的研究人員在以化學氣相沉積法生長碳奈米管的過程中，採用完全相同的分 子奈米簇做為催化劑，結果發現能製造出直徑更均勻的碳管。該研究小組希望最終能製造出完全是金屬性或完全是半導體性的碳管，而非目前由兩種型式混合構成的 產物。

自由電子雷射能大量製造碳奈米管 2003/02/05

科 學家們一直在尋找便宜而有效的方法，來製造高品質且特性可控制的碳奈米管。最近美國威廉瑪莉學院與太空總署的科學家成功地以 自由電子雷射達成這個目的，且效率是傳統技術的200倍。研究人員將雷射光照射置於旋轉石英棒上的石墨，石墨表面被雷射剝離的原子最後會群聚形成碳奈米 管。這種方法使用功率為1仟瓦的自由電子雷射，每小時可製造2公克的碳奈米管，每公克碳奈米管的成本為100美元；相對的，使用桌上型雷射每小時只能製造 出10毫克的碳奈米管，而每公克的成本卻需要200美元。目前研究小組希望能將自由電子雷射的功率提昇至10仟瓦，以得到碳奈米管的最佳化製程條件，並探 討碳奈米管的光化學產生機制。

改良過的微電子製程可用來生長奈米管 2002/06/10

德國的Infineon Techonologies宣稱它已採用與微電子製程(microelectronics process)相容的方法，在矽晶圓上生長碳奈米管。它的科學家更改了標準的微電子製程，成功地將奈米管生長在6吋晶圓上事先選定的位置。

碳奈米管能單獨發出螢光 2002/07/26

碳 奈米管有聚集形成平行束的強烈傾向，這個現象會干擾碳管的電子結構並影響其光學特性。美國Rice大學及Baylor醫學院 的科學家發展出一項能將碳奈米管個別分離出來的技術，結果發現直接能隙型半導體碳奈米管能發出波長在800-1600奈米範圍的螢光，而這正是光纖通訊及 生物造影最感興趣的波段。詳見近期的「科學」雜誌。

碳奈米管在閃光燈下消失 2002/04/26

單 壁碳奈米管又展現另一種獨特的性質：一般相機的閃光燈就能令其自燃。美國Rensselaer Polytechnic Institute的一個學生在嘗試為奈米管拍照時，意外發現了這個效應後，其指導教授Pulickel Ajayan立即組成研究小組展開研究。他們發現閃光能將碳奈米管加溫至驚人的高溫，未來或許能利用這個特性在安全距離外進行點火。詳見P Ajayan et al, Science 296, p.705 (2002).

碳奈米管的場發射效應有助於X-ray造影 2002/07/03

美 國北卡羅萊那大學Chapel Hill分校及Applied Nanotechnologies公司的研究人員將碳奈米管應用在冷陰極X-ray裝置中，並以該系統拍攝下一條魚及人手的影像。X-ray的產生是靠高 能電子撞擊金屬標靶，傳統的裝置是將金屬燈絲加熱到約攝氏1000度以游離出電子，稱為熱離子發射(thermionic emission)。此處，研究人員利用單壁奈米管的場發射(field emission)特性，可以在室溫下產生電子。該技術可望協助製造出體積更小、溫度更低、反應更迅速的裝置。

STM探針可用來在金基板上存取量子點 2002/11/27

一 群歐洲科學家採用掃瞄式穿隧電子顯微鏡(STM)成功地從在一塊金基板上增添及移除量子點(quantum dots)。由比利時、德國及荷蘭研究人員所組成的小組原先是想發展一套以化學方式將量子點與金屬基板連接的通用方法，以便透過STM探究量子點的電子結 構，卻意外發現了切斷及恢復半導體奈米微晶(量子點)與金屬基板間的分子接合的方法。他們以含有硫醇(thiol)的分子橋將硒化鎘(CdSe)量子點附 著在基板上，並以STM觀察量子點的影像，結果發現當基板的電壓為負時，量子點都附著在基板上，而當表面電壓大於250至500 mV時，奈米微晶都轉移到STM針尖上。詳見近期的Applied Physics Letters.

光學顯微鏡再創新記錄 2003/03/13

奈 米科技的發展仰賴研究人員操控奈米結構的能力，雖然許多先進方法如掃描探針(scanning probe)、光鑷子(optical tweezers)與原子力顯微鏡(atomic force microscopy)等都能達到這個目的，但它們並不能讓人實際「看到」奈米結構；另一方面，拉曼光譜儀(Raman spectroscopy)是量測通過樣品後被散射的雷射光光譜，由於它能測得材料本身特有的振動模態，因此能提供比其他影像方法更詳細的分子結構資訊。
美 國羅徹斯特大學的科學家最近使用一種稱為「近場表面增強拉曼光譜」(near-field surface-enhanced Raman spectroscopy)的技術來觀察碳奈米管，並得到迄今解析度最高(約17奈米)的光學影像──可見到寬度小於30奈米的細部節構。這種方法是先將 雷射光聚焦於銀探針尖端直徑約為10奈米的區域內，接著以探針在距離樣品上方1奈米處掃描，針尖的電磁波與樣品表面原子作用的結果，可使拉曼信號的強度增 大1015倍，因此可用來研究單一分子。這種新技術可以用來鑑定材料的化學組成，甚至可以「看到」一根碳奈米管是直立還是橫躺著，這是以前遠場顯微鏡所無 法辦到的。研究人員希望能進一步改進這個系統，將解析度降至5奈米，以得到蛋白質結構的影像。詳見Phys. Rev. Lett. 90, 095503 (2003)。