Taiwan Nanotechnology Newsletter TNN Vol. II No. 3

1/21/2003, Ithaca Journal, 參議員西拉蕊柯林頓最近發布了一個新的立法, 此法律可以讓康乃爾大學的奈米科技計劃以及其他領先的研究機構, 大大地增加其研究的經費. 這個新的 ”21世紀奈米科技研究暨開發法案” 將會是建構在柯林頓政權時所訂定的國家奈米科技啟動計劃上. 這個法案如果通過的話, 同時也會創組一個國家奈米科技評議團, 針對奈米科技研究的進展向國會和總統提供諮詢顧問. 這將會使得奈米科技的研究計劃更扎實, 研究單位在每年的預算審核中, 將會更有信心地相信經費一定會撥下來的.

有控制的研發創新

1/15/2003, Better Regulation Task Force, 對一個政府而言, 在保障科學的研發能夠蓬勃發展的同時, 且能夠對大眾確保所有執行中的研究都是合乎倫理而且是安全的, 是一項棘手的任務. 政府的法規應該在科學的研發中扮演出一個重要的角色, 法規應該對科學家的可為和不可為, 依循著社會對倫理, 道德和安全的顧慮上, 訂定出一個明確的界線. 然而如果政府的法規沒有恰當地設計, 則反而會窒礙了科學的研究和創新. 這裡有一份PDF的論述, 主題是 “Scientific Research: Innovation with Controls, 科學研究—有控制的創新“, 是由英國Better Regulation Task Force的主席, David Arculus所發表. 這篇論述專注於政府在積極鼓勵科學研發的進步下, 如何來平衡心中常常對某些科學研究方向的焦慮, 尤其是有關種子和植物的基因轉殖, 胚胎幹細胞的研究以及奈米科技的研發. 英國在胚胎幹細胞的研究領先全世界, 因此吸引了全世界大額資金對英國的投資, 同時也吸引了許多世界頂級的科學家. 這乃是因為英國在胚胎幹細胞的研究方面有一套清楚且精確的法律環境. 這套清楚且精確的法律環境的模式也應該被依循來用於正在冒出的奈米科技上.

微機電系統:

微機電系統於汽車上的應用已經在高檔車上出現

1/22/2003, Small Times, 2003年北美洲國際汽車大展上週在底特律開幕, 其中大約有60種新的產品和概念車, 有許多都提供了微機電系統的一些方便設施, 如動態車體系統, 側向衝擊安全氣囊和翻車偵測系統等等. 分析家認為微機電系統在這些方面的應用時機已成熟, 用其來替代傳統的技術可以有許多好處. 但是目前這種新的解決方案大都還是僅限於較高檔的車輛, 要在中間級的車輛見到這些微機電系統的應用可能還要等上幾年.

在此底特律國際汽車大展中, 福特公司的Volvo部門展示了兩款新模型, 2004 S60 R和V70 R, 它們都有動態車體系統. 這種連續控制車體概念, 就是所謂的4C系統, 乃是利用感應器來量測每一個輪子的轉動速度, 垂直移動, 摯動輪變形和速度, 轉角, 引擎扭力和煞車等. 然後使用一個微處理器來分析所有收集的訊號, 以便能隨著調節避震器的硬度, 來適應不時改變的路面狀況.

Volvo的2004 S60 R車款, 配備有4C系統, 利用感應器來量測每一個輪子的轉動速度,
垂直移動, 摯動輪變形和速度, 轉角, 引擎扭力和煞車.

奈米材料科技:

台灣國科會的科學家開發出高熵的金屬合金

1/24/2003, Taiwan News, 利用最先進的奈米技術, 台灣的科學家最近已經開發出一種新的聚合金屬的合金, 這種合金的成分和結構是全世界獨一無二的. 由台灣國科會資助的研究計劃, 清華大學的葉均尉教授和他的研究團隊已經成功地造出一種奈米結構的高熵的金屬合金, 這是一種在高溫下鑄造出來的金屬物質, 在硬度, 韌性, 奈磨性, 以及光電性質和磁力性質上都較優良. 傳統的合金都含有50%以上的一種主要的金屬, 而此團隊開發出一種技術可以用5到13種金屬來製造出合金, 而每一種金屬的含量都沒有超過總量的35%.

這種合金在奈米尺度上會產生一種具有變形雙生 (deformation twinning) 的金屬結構, 會將其原來的性質傳遞到合金裡. 這些變形雙生的金屬結構物可以被分割出來成一種奈米的微晶, 來供一些全新的應用, 這是傳統的合金裡沒有的. 這些奈米的微晶在產業和科技的應用上具有極大的商業價值, 尤其是現在在半導體業, 印刷電路板業, 以及通訊器材業中, 目前所用的金屬材料都無法與之相比. 另外此材料還可以應用於電子, 電腦記憶體元件和機械工具上面. 他們已經向台灣, 中國, 日本和美國的專利負責單位申請專利.

80年代的工程陶瓷產業可以成為奈米材料產業的前車之師

1/28/2003, Small Times, 時下流行著創新材料的風潮, 這些材料都具有革命性的性質. 這些新產品將大大地改變現有產業的面貌, 從能源, 電子到交通. 未來的大市場和潛在能力也引起了一股媒體的騷動. 紐約水牛城的一家新創奈米材料公司, NanoDynamic的執行長, Keith Blakely在先進工程陶瓷產業上已經有20幾年的歷練, 他認為奈米材料產業和工程陶瓷產業彼此之間有相似之處, 產業界過去於工程陶瓷上所學到的功課, 或許對奈米材料產業未來的進展可以當微前車之鑑. 教訓1, 要確認此科技已經成熟到可以進入市場了. 教訓2, 要確認市場已經準備好可以接受這種科技了. 教訓3, 要懂得如何在科技的推動和市場的需求之間取得平衡. 教訓4, 對你的科技和你的市場要有一個客觀的了解.

NanoDynamic的執行長, Keith Blakely認為任何新材料或是新科技的開發, 在一開始都會比它們要替代的廖或是技術要來得貴. 這也就是為什麼我們一定要確實地理性地去完全了解一種產品或技術如何達到其最終成本競爭力所必須經過的途徑.

奈米電子及奈米晶片科技:

新的熱影像技術可以解決大面積有機電子的佈層問題

1/23/2003, Material Update, 有機電子在未來將可以使我們能夠在幾乎任何的基板上, 以非常低的成本製造出大面積的電子電路, 但是目前在有關如何從溶劑狀態中來佈出許多連續的電路層的技術上的問題, 使得其進展受到阻礙. 現在科學家已經開發出一種熱影像技術, 可以用來幫忙克服這個問題的障礙.

導體和半導體性質的聚合物讓我們可以製造出很便宜的大面積電路, 來應用於大螢幕顯示器和可拋棄式的消費型電子產品等等. 然而在此夢想成真之前, 還有一些技術上的問題必須要去解決. 第一個就是很難找到一些化學上相容的製程, 來將這些有機聚合材料於多層的基板上定位和成樣. 現在有一個新的研究成果發表於本週的Applied Physics Letters, 作者Graciela Blanchet和其同僚開發出一種乾式的熱影像製程, 可以用來將導體性的聚合物沉積在多層的基板上, 而沒有化學相容上的問題.

Graciela Blanchet和其同僚所開發出來的乾式的熱影像製程, 完全擺脫了對溶劑的倚賴, 所以沒有化學相容上的問題. 他們使用的熱影像製程可以將有機材料線路的圖樣, 以其固體的狀態轉印在基板上面. 這個製程首先使用一個柔性的多層供應 “donor” 薄膜, 其中含有一層透明的支撐層, 其上又有一層光學吸收性的金屬薄膜, 最後有一層要沉積在金屬薄膜上的有機材料層. 接著這個柔性的多層供應 “donor” 薄膜就被面朝下地放在一個這些有機材料電路要轉印到的表面或是基板上面, 然後一到藉由電腦控制的雷射光, 從這塊“donor” 薄膜的背後以亂射的方式穿射. 藉著對金屬薄膜的加熱, 雷射光就會將供應層上的有機材料移除, 而依所設計的電路樣式轉移到基板上面.

左圖就是Graciela Blanchet和其同僚所開發出來的乾式的熱影像轉移製程的示意圖. 柔性的多層供應 “donor” 薄膜轉移層中含有一層透明的支撐層, 一層光學吸收性的金屬薄膜和一層要沉積在金屬薄膜上的有機材料層. 接著所設計的電路樣式就藉著一台聚焦的雷射光束將之打樣在這個薄膜轉移層上, 然後藉著局部性的加熱, 有機材料就會從薄膜轉移層上移除, 而轉移到基板上面.

NASA開動其奈米電子研究中心

1/16/2003, Nanotech Web, 美國的NASA已經正式開動其奈米電子和電算研究中心 (Institute for Nanoelectronics and Computing, INAC), 這是和美國其它六個大學合作的. 這個INAC研究中心的基地將設立在美國印第安那州普渡大學的Birck奈米科技中心裡. 除了普渡大學以外, 西北大學, 康乃爾大學, 耶魯大學, 佛羅里達大學和加州大學聖地牙哥大學都將參予這個組織.

這個INAC研究中心的四個核心研究主題是, 1. 超高密度的記憶體來更新計算機的架構和系統. 2. 超高效能的元件來使單位體積和重量的硬體能夠提供千百倍以上的功能. 3. 整合化學和生物的感應的元件來製造出新一代的自動太空探索的探頭. 4. 利用無限量的記憶體和高效能的元件來開發出自動適應系統.

美國伊利諾大學造出全世界最快的電晶體

1/24/2003, The News Gazette, 美國伊利諾大學的科學家在開發最快的電晶體上幾乎可以和IBM和其它的電子產業巨人可以一較高低,然而他們卻不打算就此鳴金收兵. 美國伊利諾大學造出來的電晶體, 其速度是370GHz, 和先前的紀錄保持者IBM於去年11月所宣佈的350 GHz比起來還要快. 其次目前日本電晶體最快的速度紀錄則是日本電報電話公司 (NTT) 的341GHz. 伊利諾大學電機電腦工程系的Milton Feng教授, 他同時也是高速晶片製造的專家, 認為再過兩個月, 搞不好他們的電晶體就可以接近500GHz. 這500GHz的目標也是他們從國防先進研究計劃局獲得五年210萬美元研究經費的研究標竿. 相對之下, 目前一台功能強大的個人電腦, 其中心晶片中的電晶體的速度約是50或是100GHz, 而目前這種電晶體組合在一起的最快運轉速度大約是3GHz. 雖然我們不會很快就可以在我們的手提電腦中看到伊利諾大學的電晶體, 但是應該在不遠的將來就可以在我們的掌上型電腦中看到. 美國國防部是打算將此科技用在戰場上, 來提供較快速和保密的通訊以及高速的資訊處理.

Milton Feng教授說在達到500GHz的目標厚的下一階段, 就是將此電晶體整合入一個含有40個電晶體的積體電路中, 他們希望這個電路能夠在大約200GHz的速度下運轉, 這個積體電路將會是未來電算上的建構基礎方塊.

左方相片中站在後面的就是Milton Feng教授, 另外一位則是伊利諾大學電機電腦工程系的研究生Walid Hafez.. 在顯微鏡底下以及在螢幕顯示器上顯示的就是目前全世界最快速的電晶體.

奈米管, 奈米鬚, 奈米纖維和奈米球的進展:

自我組裝的奈米碳管用來當轉轍可見光的光晶片

1/23/2003, Material Update, 光波自經過使用光子晶體的晶片就可以被轉轍, 經過此晶片某些波長的光就不會通過. 但是要製造這些光子晶體能夠用在可見光波範圍的, 一直都是非常困難並且昂貴. 然而現在科學家已經開發出一種自我組裝的方法, 可以很便宜地製造出這些元件.

這個由美國麻州波士頓大學的Zhifeng Ren和其同僚所開發出來的方陣是一個由向蜂窩樣的奈米碳管所組成的, 這些碳管是由催化性鎳的奈米粒子所培養出來的. 整個製程可以在沒有使用任何高解析度的光學或是電子束的蝕刻技術下來完成. 他們將這些具週期排列的鎳奈米點安置排列在一個二維膠質性的晶體的空隙間, 於是一個奈米尺寸的聚苯乙烯球體方陣, 就自動自發地在一塊矽晶基板上形成一個緊密排組的六角形的單層. 最後所造成的這種奈米碳管的晶體森林, 對在此表面的二維平面上通過的光, 極有可能產生出一種光子上的間隙帶. 換句話說, 其中應該有某一波長範圍的光就無法穿透這個森林. 這種光子晶體的科技興趣點全部集中在一個觀念, 那就是於一個週期性次序排列的結構中, 其間的某些瑕疵可以被利用來充當導波的作用. 例如有一列柱體被空出來下, 就可以讓本來於光波帶中被禁止通過的光, 有一個通道可以來穿透. 類似這樣的結構體過去已經被證實可以用來在矽晶的微結構上來導引光線.

參考資料: Kempa K. et al. Photonic crystals based on periodic arrays of aligned carbon nanotubes Nano Letters. 3, 13–18, January 2003

奈米管的水力發電

1/23/2003, Material Update, 奈米碳管是許多科學家認為會是未來奈米電子的架構基礎, 於是現在針對其充當各種各類的開關, 感應器和啟動器方面的應用, 有許多研究都如火如荼地在進行中. 現在針對奈米碳管充當流體感應器的研究方面, 科學家又增加其另一種潛在的應用可能, 那就是用來發電.

Shankar Ghosh和其同僚於本週的Science Express發表其研究, 他們認為奈米碳管不僅可以用來當奈米電子中的被動元件, 例如電晶體開關或是感應器, 其實當它們被浸在一個流動的液體裡面, 還可以用來產生一個電流的訊號.

當奈米碳管被放置於一個流動液體裡面就有可能產生一個電壓的概念, 是最近才由Petr Král和 Moshe Shapiro於其一個理論研究中發現而發表Phys. Rev. Lett. 86, 131–135; 2001. 他們認為由於存在於一個金屬性的單壁奈米碳管中的自由電子氣體的單一維度的特性, 藉著流經其表面的液體粒子, 在奈米碳管中會將動量轉移成晶格的震盪, 就是所謂的聲子 (phonons), 就會沿著其軸向產生一股聲子風 (phonon wind) 來運送這些自由的載體, 例如電子等. 沿著奈米管所產生載體的淨運動就可以用來產生一個電動勢, 或是電壓. 因此這種現象就可以利用來建造一個敏感度高的奈米管偵測器來量度其流體的速度.

Ghosh和其同僚在其新的研究中藉著實驗, 已經證實藉著液體流經奈米碳管可以一個電壓, 但是他們發現其中詳細的情形和Petr Král和 Moshe Shapiro所預測的有點不同. 於其實驗中, 他們使用了許多捆單壁奈米碳管, 將其固定在兩個金屬電極之間來建造一個流量感應器. 然後將此流量感應器懸置於一個細長的玻璃流體管中. 使用這個流量偵測器他們發現, 當水的流速僅在每秒5x10^-6m時, 在偵測器的兩端就可以產生出0.65 mV的電壓, 當水流速度是每秒0.3m時, 其電壓就可以增加至大約3.2 mV. 他們也發現電壓產生的強度和使用流體中的離子強度有很大的關係, 電壓強度在1.2M的鹽酸中最強, 因為最具離子性, 而在甲醇中最弱, 因為離子性最低. 然而其實驗中最重要的發現就是, 產生的電壓和流體的速度間是以指數的關係變化, 而不是Petr Král和 Moshe Shapiro所預測的腺性關係.

姑且不管期間現存的細節的研究和解釋, 這種奈米偵測器所能產生的電流訊號, 其潛在的應用部應僅限制餘留體流動的量測. 另外有一種令人感到興奮的應用可能就是, 利用奈米碳管來當一種電力的來源, 用來在未來的生物醫療應用上來供電給微機電和微電子的元件.
同一主題的不同角度報導請見Nanotech Web的奈米管流速感應器可以發出電壓.

Nanotube researchers
由左至右: Raman Research Institute的N. Kumar教授和Indian Institute of Science的 Ajay Sood和Shankar Ghosh教授

奈米線造出來的奈米電子元件

1/21/2003, Nanotech Web, 瑞典Lund大學的科學家已經能夠用奈米線製造出一維異質結構的電子元件. 他們使用由下而上的組裝技術, 由不同的半導體III / V材料中製造出共振的穿隧二極體. <