定義：不是所有尺寸小�100nm納米材料都叫納米科技
納米科技廣義的定義，泛指尺寸小于100nm（納米）的材料，而研究納米材料的科學(xué)技�(shù)泛稱為「納米科技（Nanotechnology）」。納米科技的研究范圍很廣，包括納米物理�(xué)、納米化�(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米機(jī)械加工學(xué)、納米力�(xué)與納米測(cè)量學(xué)等領(lǐng)域， 許多尖端的研究不斷地在�(jìn)行，讓我們先來了解到底什么是納米科技吧！
納米科技�(yán)格的定義必須「同�(shí)�?jié)M足下面三�(gè)條件�
1、納米材料的尺寸小于100nm�
2、納米材料體積微小，具有全新的光、電、磁、聲、化�(xué)與機(jī)械等性質(zhì)�
3、納米材料必須具有全新的研究�(jià)值與�(yīng)用�
換句話說，只滿足體積微小并不是納米科技最重要的條件，必須具有全新的性質(zhì)與應(yīng)用，才是納米科技討論的重�(diǎn)�
值得一提的是，納米科技�(yán)格的定義必須同時(shí)滿足上面三�(gè)條件，但是目前整�(gè)�(xué)�(shù)界與�(chǎn)�(yè)界都是使用較寬松的定義，也就是只要滿足上面的第一�(gè)條件尺寸小于100nm即可，造成今日凡事皆納米的混亂局面，許多廠商更是趁著這�(gè)混亂局面濫用「納米」二字，本文將以簡單的文句幫大家科普，讓各位成為理智的納米科技判斷者�
分類：大致可以分為納米材料和納米技�(shù)兩�(gè)重要�(lǐng)�
納米科技�(chǎn)�(yè)目前仍然不算完整，許多應(yīng)用還在理論研究的階段，因此不容易完整地分類，但是大致上可以區(qū)分成兩�(gè)重要的領(lǐng)域：
納米材料（Nano－materials）：是指「最終成品」，意思是利用納米加工技�(shù)，將材料加工成尺寸在100nm以下的產(chǎn)品，這�(gè)�(chǎn)品即可稱為「納米材料」�
納米技�(shù)（Nano－technology）：是指「加工過程」，意思是將材料加工成尺寸�100nm以下�(shí)所使用的制程技�(shù)，我們稱為「納米技�(shù)」�
「納米材料」與「納米技�(shù)」兩者之間的�(guān)系，有點(diǎn)類似「LED」與「生�(chǎn)LED的設(shè)備」之間的�(guān)系，LED廠（例如：三安光電與木林森）向LED�(shè)備商（例如：易維科VEECO，北方華�(chuàng)或ASM）購買LED芯片或封裝設(shè)備來生產(chǎn)LED器件，因此，�(shè)備商專注在如何設(shè)�(jì)出性價(jià)比高的加工設(shè)備，而LED廠家則專注在如何利用�(shè)備生�(chǎn)LED，兩者在LED�(chǎn)�(yè)中均扮演重要的角色�
同樣的道理，納米技�(shù)討論的重�(diǎn)在于如何�(shè)�(jì)納米加工�(shè)備，而納米材料討論的重點(diǎn)在于如何利用納米加工�(shè)備來生產(chǎn)納米材料，兩者在納米科技�(chǎn)�(yè)中均扮演重要的角色�
種類：納米材料由外觀幾何�(jié)�(gòu)分為二維、一維、零�
傳統(tǒng)一般尺寸的材料我們稱為「塊材（Bulk）」，其結(jié)�(gòu)是在三維空間中的X軸、Y軸、Z軸都可以無限延伸，如圖一（a）所示，而納米材料可以簡單地由外觀的幾何結(jié)�(gòu)分為二維、一維、零維等三種�
二維（Two－dimensional）： X軸與Y軸可以無限延伸，但是Z軸非常微小（小于100nm），如圖一（b）所示，二維的納米結(jié)�(gòu)稱為「納米薄膜（Nano thin film）」或「量子井（Quantum well）」�
一維（One－dimensional）： X軸可以無限延伸，但是Y軸與Z軸都非常微小（小�100nm），如圖一（c）所示，一維的納米�(jié)�(gòu)較長的稱為「納米線（Nanowires）」，較短的稱為「納米棒（Nanorods）」，空心的稱為「納米管（Nanotube）」�
零維（Zero－dimensional）：X軸、Y軸與Z軸都非常微小（小�100nm），如圖一（d）所示，零維的納米結(jié)�(gòu)稱為「納米粒子（Nanoparticles）」或「量子點(diǎn)（Quantum dots）」�
圖一 納米材料的幾何結(jié)�(gòu)
光電特性：LED、激光LD�(fā)光層與量子點(diǎn)技�(shù)
一、LED／LD�(fā)光層與量子點(diǎn)顯示技�(shù)的核心原理： 量子局限效�(yīng)
材料的物理性質(zhì)大部分是由電子與空穴所決定，例如「Debye德拜長度」用來描述材料中電子與電子之間作用力的長度、「de Broglie德布羅意波長」用來定義材料的粒子性質(zhì)與波�(dòng)性質(zhì)，由于傳�(tǒng)三維空間的塊材（bulk）尺寸遠(yuǎn)大于上述這些電子與空穴的物理特征長度� 因此其物理性質(zhì)可以使用古典物理�(xué)來解釋，但是�(dāng)材料的尺寸小�100nm以下�(shí)，會(huì)與德拜長度及德布羅意波長很接近，因此�(huì)�(chǎn)生「量子局限效�(yīng)（Quantum confinement effect）」�
�(guān)于量子局限效�(yīng)，相信很多學(xué)過大�(xué)物理的朋友應(yīng)該不�(huì)陌生，我寫文章不喜歡放入一大串公式，尤其是艱澀難懂的薛定諤方程式，我曾�(jīng)整理了一篇PPT�(guān)于量子物理的教材，發(fā)�(xiàn)用這�(gè)教材讓同�(xué)理解量子物理的難度都非常大，何況要用文字幫沒�(xué)過大�(xué)物理的同�(xué)講授這塊難啃的量子骨頭，�(xiàn)在我就試著用圖與文字來解釋一下這�(gè)效應(yīng)�
在微觀世界里，尤其是在納米尺度之下，所有的光與電的�(xiàn)象，都會(huì)與我們看到的大尺度世界那么的不同，如圖二（a）所示（公式看不懂可以跳過去），根據(jù)薛定諤方程式波函�(shù)的解，在量子尺度（L）下，尺度的不同，電子與空穴所處的能量狀�(tài)△E也會(huì)不同，也許它�(huì)在能�(jí)Eo的位置，也許�(huì)�4Eo的位置，也許�9Eo�16Eo…．．，因?yàn)槲锢沓叽绲牟煌牧现须娮拥哪芗?jí)也會(huì)相應(yīng)的變化，所呈現(xiàn)的材料特性就�(huì)與原本的材料本性差異極大，如圖二（b）所示，此時(shí)�(fā)光的能量或頻率就不再是材料本身的能帶隙性質(zhì)Eg，而是帶隙較寬的（Eg＋△Ec＋△Ev），能量變強(qiáng)�(fā)光波長因此會(huì)變短，這樣�?yàn)殡娮优c空穴被局限在納米材料�(nèi)形成自組的穩(wěn)定態(tài)，造成光電性質(zhì)的改變，這樣的效�(yīng)我們稱為量子局限效�(yīng)�
圖二 納米尺度下的量子局限效�(yīng)
量子局限效�(yīng)最明顯的特征是納米材料的尺寸愈小時(shí)，材料發(fā)光能量愈�(qiáng)，能量越�(qiáng)表示�(fā)光的波長愈短（藍(lán)色），這�(gè)�(xiàn)象稱為「藍(lán)移（blue shift）」�
如圖三所示，不同顏色的光波長不同，光的波長就是顏色，在可見光中紅光的波長最長，綠光次之，藍(lán)光最短，換句話說，當(dāng)納米材料的尺寸大，發(fā)光的能量較低，顏色為紅光（波長最長）；當(dāng)納米材料的尺寸變小，�(fā)光能量變�(qiáng)，顏色為綠光（波長次之）；當(dāng)納米材料的尺寸更小，�(fā)光能量更�(qiáng)，顏色為�(lán)光（波長最短）�
圖三 量子局限效�(yīng)
二、LED與LD外延最�(guān)鍵的�(fā)光層：納米薄膜與量子�
1、種類與特�
二維的納米結(jié)�(gòu)稱為「納米薄膜（Nano thin film）」，泛指厚度�100nm以下的薄膜，如圖四（a）的LED�(jié)�(gòu)所示，由于半導(dǎo)體材料具有特別的光電特性，因此常見的納米薄膜大多是使用半導(dǎo)體材料制作而成，例如：硅、砷化鎵、氮化鎵或磷化銦等，具有�(yōu)越的光電特性，可以�(yīng)用在光電科技�(chǎn)�(yè)�#p#分頁�(biāo)�#e#
�(dāng)我們將許多層不同材料的半導(dǎo)體納米薄膜重迭在一起時(shí)，可以形成「量子井（Quantum well）」，例如：在砷化鎵晶圓上分別成長砷化鎵、砷化銦鎵、砷化鋁鎵的納米薄膜或是在藍(lán)寶石上成長氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵的納米薄膜，都是屬于量子井�(jié)�(gòu)，如圖四（b）的量子井LED�(fā)光層�(jié)�(gòu)所示，研究顯示具有量子井結(jié)�(gòu)的LED�(fā)光二極管或LD激光二極管元器件具有更好的�(fā)光效率�
圖四 納米薄膜與量子井的定義與�(yīng)�
2、量子井�(yīng)用實(shí)�
圖四（c）為使用多層量子井結(jié)�(gòu)所制作的「量子井激光二極管（Quantum well laser diode）」，科學(xué)家稱為「垂直共振腔面射型激光（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）」，是目前已�(jīng)量產(chǎn)的商品，外觀如圖四（d）所示，這種�(jié)�(gòu)普遍�(yīng)用在光通訊的光源�
圖中的激光使用砷化鎵晶圓制作，上下均為金屬電極，上方連接電池的正極，下方連接電池的負(fù)極；中央上下是數(shù)十層N型與P型的納米薄膜，顏色較深的部分代表折射率（Index）較大，顏色較淺的部分代表折射率（Index）較小，這種由許多層不同折射率的薄膜交互排列而成的元器件是非常重要的光學(xué)�(jié)�(gòu)，我們稱為「布拉格反射層DBR光柵（Grating）」；正中央是納米薄膜，由于它夾在中央上下的光柵之間，因此形成量子井的�(jié)�(gòu)，稱為「量子井�(fā)光區(qū)」，是激光主要的�(fā)光區(qū)域，這一層的半導(dǎo)體材料種類決定激光的�(fā)光顏色與�(qiáng)度，由于垂直共振腔面射型激光（VCSEL）使用量子井�(jié)�(gòu)，因此可以增加發(fā)光效率，具有�(yōu)良的光電特性�
3、納米薄膜制備方�
納米薄膜的制作可以使用單晶或多晶薄膜成長技�(shù)，但是使用加熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍（Sputter）、等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD）等方法得到的納米薄膜質(zhì)量不佳，因此目前大多使用制程條件比較�(yán)格，成本也比較高的分子束外延（MBE）或有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）來制作納米薄膜，分子束外延（MBE）可以在超高真空下將原子「一層一層地」成長在晶圓表面，因此控制得很精�(zhǔn)，可以制作單層的納米薄膜，也可以制作多層的量子井�(jié)�(gòu)�
顯示技�(shù)的新王牌：納米粒子與量子�(diǎn)
1、LED與LD在發(fā)光層上呈�(xiàn)的量子點(diǎn)效應(yīng)
零維的納米結(jié)�(gòu)稱為「納米粒子（Nanoparticle）」，泛指顆粒大小（直徑）�100nm以下的顆粒，如圖五（a）所示，由于半導(dǎo)體材料具有特別的光電特性，因此常見的納米粒子大多是使用半導(dǎo)體材料制作而成，例如：硅、砷化鎵、氮化鎵等，具有�(yōu)越的光電特性，�(yīng)用在光電科技�(chǎn)�(yè)�
�(dāng)我們利用半�(dǎo)體的納米薄膜將納米粒子覆蓋起來時(shí)，形成「量子點(diǎn)（Quantum dot）」結(jié)�(gòu)，例如：在藍(lán)寶石襯底成長氮化鎵底層材料后，氮化銦鎵的�(fā)光層�?yàn)闇囟茸儺�?dǎo)致相分離效應(yīng)，發(fā)光層上會(huì)呈現(xiàn)出類似富銦（Indium Rich� 的「氮化銦鎵」納米粒子，再成長一層「氮化鋁鎵或氮化鎵」的納米薄膜覆蓋起來，就屬于具有富銦量子�(diǎn)的量子井�(jié)�(gòu)�
如圖五（b）所示，諾貝爾物理獎(jiǎng)得主，也是氮化銦鎵藍(lán)光LED�(fā)明人中村修二教授�(rèn)為具有量子點(diǎn)�(jié)�(gòu)的氮化銦鎵發(fā)光LED或激光LD光電器件具有更好的發(fā)光效率�
圖五 利用MOCVD制作納米粒子與量子點(diǎn)
2、納米粒子制備方�
納米粒子的制作可以使用薄膜成長技�(shù)，但是都必須配合適當(dāng)?shù)难b置控制不同的溫度與壓力來輔助才容易形成納米粒子，否則只會(huì)形成納米薄膜，例如：加熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍（Sputter）、等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD）、分子束外延（MBE）、有�(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等。例如，像圖五（c）所示，如果要制備氮化銦鎵納米粒子，可以使用有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD），將氨氣與有機(jī)金屬三甲基鎵，三甲基銦分別混入氫氣或�?dú)馔ㄈ敕磻?yīng)腔體，控制不同的壓力與溫度就可以得到氮化銦鎵納米粒子，可以發(fā)出很亮的�(lán)光或綠光�
3、量子點(diǎn)顯示技�(shù)：有�(jī)�(huì)成OLED后市�(chǎng)上追求的�(mèng)幻顯示科技
由于量子局限效�(yīng)，不同尺寸的納米粒子�(huì)�(fā)出不同波長（顏色）的熒光，例如：硒化鎘（CdSe）直�10nm�(shí)�(fā)出紅色熒光，直徑5nm�(shí)�(fā)出綠色熒光，直徑2nm�(shí)�(fā)出藍(lán)色熒光，如圖六（a）所示，而且它的�(fā)光強(qiáng)度比傳統(tǒng)有機(jī)熒光物質(zhì)�10倍以上，再加上相比目前的顯示技�(shù)，量子點(diǎn)具有自發(fā)光、高�(duì)比度、廣視角與輕薄可繞曲等優(yōu)�(diǎn)，將有機(jī)�(huì)成為繼OLED之后市場(chǎng)上亟欲追求的�(mèng)幻顯示科技�
最近市面上的顯示科技有點(diǎn)群魔亂舞�4k8K LCD、OLED、Micro LED、激光電視與量子�(diǎn)QLED五家爭鳴，量子點(diǎn)顯示技�(shù)目前還不是很成熟，但是為什么市面上還是有很多打著量子點(diǎn)旗號(hào)的QLED電視呢？
如圖六（b）所示，目前的量子點(diǎn)電視是利用量子點(diǎn)�(fā)光頻譜集中的特性，�(fā)出高純度的顏色，�(jìn)而達(dá)到更好的全彩顯示，將量子�(diǎn)加在LCD背光源上，量子點(diǎn)吸收背光源的光，以光致發(fā)光（Photoluminescence ；PL）重新發(fā)出高純度的光，成為純色的背光源，制作出高彩度的顯示技�(shù)，最近TCL與QD Vision合作推出55�4k量子�(diǎn)電視就是用這種技�(shù)，然而，這樣的量子點(diǎn)光致�(fā)光技�(shù)，僅僅只是在傳統(tǒng)的LCD技�(shù)加上量子�(diǎn)薄膜作為色彩�(diào)整，雖然帶來了優(yōu)良色彩特性，但本�(zhì)上還是受限LCD顯示技�(shù)，仍然無法享受高�(duì)比度、廣視角與輕薄可繞曲等優(yōu)�(diǎn)�
�?yàn)榇蠹�?duì)這�(gè)科技比較陌生，也沒有能力去理解這么高深的物理，所以電視廠家打著量子點(diǎn)高科技的名詞自然會(huì)吸引一般老百姓的�(guān)注，�(shí)際上�(xiàn)在的QLED電視還是LCD電視的改良版�
最常見的量子點(diǎn)�(jié)�(gòu)如圖六（c）所示，一般包含無�(jī)半導(dǎo)體核心層（core，直徑約1�10nm）、寬帶隙無機(jī)半導(dǎo)體殼層（Shell），以及最外層的有�(jī)配體（Ligand），核心層是量子�(diǎn)主要�(fā)光層，使用不同種類材料例如CdSe、CdS、InP與ZnSe ，合成不同的尺寸大小，可以調(diào)整量子點(diǎn)�(fā)光的顏色，利用合成的�(shí)間、溫度以及反�(yīng)物的濃度，加上合成后的過濾篩選，可以使量子點(diǎn)的大小更一致且均勻，發(fā)出更純的光色。殼層包�(fù)核心層，隔絕氧氣與濕氣，并修�(bǔ)核心層缺陷，提升�(fā)光效率，最外層的有�(jī)配體可以使量子點(diǎn)分散在不同的非極性有�(jī)溶劑中，有利于使用溶液制程來制作量子�(diǎn)�(fā)光器件�
未來的QLED器件，制程方法與�(fā)光結(jié)�(gòu)�(huì)跟目前的OLED比較接近，如圖六（d）所示，都是使用電致�(fā)光，最大的不同�(diǎn)是QLED采用量子�(diǎn)作為�(fā)光材料，電子與空穴傳輸層可以使用跟OLED接近的有�(jī)材料，做出新一代柔性顯示器，當(dāng)然目前這樣的結(jié)�(gòu)效率還是很低，所以為了提升QLED效率，有�(jī)材料加上氧化鋅ZnO的電子傳輸層與氧化鎳NiO空穴傳輸層是提升效率的比較好的選擇，目前最新的成果是浙江大�(xué)彭笑剛教授團(tuán)�(duì)利用有機(jī)材料PMMA作為氧化鋅ZnO電子傳導(dǎo)層與量子�(diǎn)�(fā)光層的緩沖結(jié)�(gòu)層，可以�(dá)到接近OLED的效率，是目前世界最前沿的QLED技�(shù)�(lǐng)航者之一�
#p#分頁�(biāo)�#e#圖六 納米粒子與量子點(diǎn)的應(yīng)�
納米技�(shù)唯一的缺�(diǎn)�
半導(dǎo)體集成電路技�(shù)的魔咒：量子穿隨效應(yīng)
「絕緣體」是不容易導(dǎo)電的固體，例如：塑料、陶瓷，因此電子無法穿透絕緣體，但是當(dāng)材料的尺寸小�100nm以下�(shí)，因?yàn)�?shí)在是太薄了，科學(xué)家發(fā)�(xiàn)電子竟然可以任意地穿透絕緣體，我們稱為「量子穿隧效�(yīng)（Quantum tunneling effect）」，換句話說，塑料、陶瓷這種原本在塊材（Bulk）時(shí)是絕緣體的材料，�(dāng)它的尺寸小于100nm以下�(shí)就不再是絕緣體了�
由于在傳�(tǒng)集成電路制程中，CMOS必須使用「氧化硅」來制作閘極，因?yàn)檠趸枋呛芎玫慕^緣體，但是當(dāng)CMOS的閘極線寬小�100nm�(shí)，氧化硅的厚度可能只�10nm，由于量子穿隧效�(yīng)，這么薄的氧化硅會(huì)使電子任意地穿透而無法絕緣，因此晶圓廠必須使用其他材料來取代氧化硅，�(duì)晶圓廠來說是必須增加新制程來解決問題的成本，這�(gè)�(shí)候納米反而是�(gè)必須解決的麻煩。由這�(gè)例子可以�(fā)�(xiàn)，并不是所有的東西做成納米就好，必須要看應(yīng)用在什么產(chǎn)品，「該大就大，該小則小」才是上策�
這篇文章是關(guān)于在納米尺度下，光電元器件呈�(xiàn)出優(yōu)越的性能，其�(shí)納米材料還有很多神奇的效果，例如納米技�(shù)之表面與界面效應(yīng)（Surface and interface effect）可以制作納米陶瓷粉末的涂料（油漆），利用這種納米陶瓷粉末涂布在戰(zhàn)�(jī)的機(jī)身，可以吸收所有雷�(dá)的電磁波，美國F35與中國殲20隱形�(zhàn)斗機(jī)就是利用這種技�(shù)搞定的，由于篇幅有限，只能下次再科普這方面的技�(shù)給大家了�
在納米尺度下就是這樣神奇，值得我�?nèi)ヌ剿�?/p>
�(guān)于納米，你懂了嗎�
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