Taiwan Nanotechnology Newsletter--TNN Vol. III No. 11

9/21/2004, EE Times, 想像一些機器正在執行你為它們訂定的任務，它們不僅可以改變形狀，而且可以組裝材料和建立複雜機制，並具有自行裝配成你所需任何設備的能力。奈米技術世界聽起來或許就像一部科幻電影。這種對奈米技術遠離現實面的認知，部份是來自K. Eric Drexler博士提出的一些極富想像力的概念，他在1986年描述了一種使用微型機器人把單分子組裝成產品的製造系統。在相同的起跑線上，一些研究所和公司已經蹣跚地向這個未來世界邁出了腳步。

作者：Vivek Nanda ，執行主編，電子工程專輯-亞洲版

奈米技術通常被定義成能在100奈米之內的尺度發揮關鍵作用的技術。依照這個定義，在你的電腦和行動電話中目前已經使用了一些現有的奈米技術。例如，英特爾目前在90奈米節點使用應變矽。矽原子形成一種規則的晶格結構，當你拉伸這個晶格時，電子的流動速度更快。因而，除調節通道的長度之外，應變方法目前被用於增加電洞和電子的行動性。更保守的定義是把奈米技術限制在幾個奈米內。在這個範圍，人們也已進行了大量研究並已有少量應用。例如，美國Nano-Tex紡織公司透過把數十億條細微鬍鬚(‘奈米鬍鬚’)附在棉纖上製造出具有抗污能力的布料。該公司的第一個產品─Nano-Care褲子─已在2001年上市。

其他的研究是在龐大潛在市場的誘惑和驅動下進行的。根據從事市場調查的商務通訊公司(BCC)的估計，在2003年全球對奈米級材料、工具和設備的需求量達76億美元左右，在2008年將達到290億美元。迄今為止，奈米技術主要集中在製造奈米管、奈米線、奈米點(nanodot)等新物質上。BCC預計到2008年奈米材料佔有率將從98%下降到75%，而奈米工具和奈米設備將分別提升到4%(12億美元)和21%(60億美元)。

目前已經可以明顯看到這個發展趨勢。康乃爾大學的材料研究中心的研究人員在2002年製造出單分子電晶體。愛爾蘭NMRC研究所已經使用奈米平板印刷術和自組裝技術製造出奈米晶體電子元件，目前正在努力解決元件製造過程的可靠控制問題。該研究所也在研究分子光子邏輯閘、奈米級互連、分子級螢光光學記憶以及使用窄頻寬輻射(用於通訊系統)的有機元件。美國NVE公司正在開發並已經在銷售使用‘旋轉電子’的元件，這是一種使用電子自旋而不是電子電荷來獲取、儲存和傳送訊息的奈米技術。該公司提供的產品有隔離器、感測器和基於巨磁阻(GMR)和旋轉型隧道連結的MRAM IP。

鑑於奈米技術的發展潛力，許多相關研究目前都已得到政府的資助。受到政府的支援，比利時校際微電子中心(IMEC)去年銀行得到了5,500萬美元的貸款，這筆貸款被用來擴展其奈米電子設施，其中包括一間奈米電子潔淨室。其它幾家與大學合作的實驗室也得到了歐洲和美國的政府和產業界的支持。但研究支援並不限於美國和歐洲。今年早期，新加坡政府與新加坡國立大學啟動了奈米科學和奈米技術計劃，指定把170萬美元用於奈米技術相關領域的學術獎勵。他們還授予了6項奈米技術專利。

在中國大陸，上海奈米科技與產業發展促進中心(SNPC)於2001年7月成立，投資2.17億美元的四通奈米技術港已經啟動。北京市把中國科學院(CAS)的幾個研究所和大學實驗室聯合起來，於2000年在CAS建立了奈米技術中心。僅僅一年之後，北京的清華大學就宣佈了一種以15kg/h的速度生產碳奈米管的新方法，生產速度比此前的方法提高了60倍。中國目前有30個機構正在致力於奈米技術的基礎性研究。人們尚不能確定這樣大的努力是否最終能帶來具有自複製能力的‘奈米點’。如果成功，它無疑將帶來電子學革命並帶來該產業的爆炸性成長。這個全新的科學領域向各個研究和商業開發機構提供了同等的機會，亞洲有機會在下一次技術革命中取得領先，而且機會不小。

奈米創業需要好夥伴

10/29/2004, Small Times, 奈米創業所面臨的挑戰非常地巨大，美國Nanotechnologies公司的總裁Randy Bell表示，開發出各種夥伴關係乃是他們公司所面臨的最大最關鍵的任務之一。

作者：美國Nanotechnologies公司的總裁Randy Bell

耗了許多的時間研發，並且也有了所需要的關鍵技術來將創意概念提升到商業產品，然而這樣並非意味著貴公司內部所需要的人才和資金都已經到位。況且，奈米尺度材料中化學和機械特性，就算是科技上最先進的公司都還會感到棘手。因此，在最有可能的現實上，好的夥伴關係對你公司的前景一定會和技術一樣重要。

選擇適當的夥伴一定要依據貴公司的長遠規劃目標而定，而不應該僅是一個獲得資金的方法。如果你能夠將你的夥伴看成是貴公司內部能力的延伸，如此的夥伴關係將有助於擴展產品的種類和市場。Nanotechnologies公司的總裁Randy Bell在此文章中還提及如何決定要合夥還是賣出，如何來管理夥伴的期望，如何保護智慧財產權，以及如何來行銷智慧財產權等等。詳細內容請參閱原文全文。

環保和公民團體代表拒絕邀請參加國際奈米科技大會

10/28/2004, Small Times, 最近由產業界和其他熱衷奈米科技的人士所發起的一個新的行動，要來喚起社會大眾對奈米科技的信任，於其第一次舉行大會的前夕，在環保和公民團體代表暫時拒絕邀請參加此國際奈米科技大會之下已經慘遭滑鐵盧，因為這些團體對此會是否符合大眾的利益有所懷疑。

有三個環保團體被邀請與會，但是沒有一個團體願意加入這個新創立的國際奈米科技議會今天在休斯頓舉行的第一次會議中。其中有一個團體的代表昨天就表示要此議會將其名自從會員名冊中移除，因為此議會幾乎完全是由產業界資助的，看起來似乎比較熱衷於要減少大眾的冷潮熱諷，而不是真的要來對奈米科技潛在的風險進行一些處理。

這個早期的挫折象徵著這個新科技要取得大眾的信任上未來將面對的重大困難。奈米科技領域到2012年將有可能變成一個一兆美元的產業，而且可能讓科技和醫學有一系列的進步。但此科技同時也激起了大眾的恐懼，因為目前科學界發現其中某些微小的產品似乎是具有毒性，而且目前環境保護和職業安全的法規是沒有規範到的。

奈米產業界必須要找出更多方法來解釋看不見的奈米世界

10/8/2004, Small Times, 每想到奈米科技就讓我心跳加快，因為此科技應許著各種疾病的治癒，甚至於包括癌症，消除失業，而且能夠提振蕭條的經濟。每當有新的研究發現，新的科學見解和新的可能應用的主題，讓我一直都訝異不已。此科技讓我一直都受到極大的鼓舞，相信未來一定會比過去更美好。總而言之，它讓我產生會心的微笑。

假使奈米科技要能夠發揮出其優點，來達成上述所有的應許，納麼我們所有在此領域工作的人士需要再更加努力來做更多事情。我們一定要去移除大眾心理大路中的疑慮大石，幫助他們理解奈米科技中的基本常識。我們必須要去回答他們所有的問題，而且要去對他們的擔憂有所反應，並且近一步地要去導引他們能夠看到奈米科技所應許的美好的未來。

作者：Deb Newberry是 “下一件大事真的很小，The Next Big Thing Is Really Small”的共著者。電子信箱: dmnewberry2001@yahoo.com.

奈米材料科技:

奈米矽微晶體的簡單製造方法

10/22/2004, Physics Web, 美國明尼蘇達大學的科學家已經研發出一種新的而且較簡單的製造方法，能夠在室溫下利用電漿來製造出奈米矽的微晶體。此方法克服了許多現有利用電漿為架構的方法所面臨的問題，而且可以生產出大小均勻的奈米微晶粒子。這個研究團隊表示，其所生產出來的奈米微晶粒子將可以用來製造出許多新型的奈米電子元件，例如單一奈米粒子電晶體。他們將其研發成果發表於A Bapat et al. 2004 arxiv.org/abs/physics0410038。

明尼蘇達大學的科學家Uwe Kortshagen

奈米矽的微晶體比不定型的矽晶，在高速電子的應用上具有較好的特性，但是現有的電漿合成技術所生產出來的幾乎都是不定型的矽晶類。況且用現有方法製造出來的奈米粒子，一般不是含有大量的瑕疵，就是含有大量粒徑不同的粒子。現在這種由明尼蘇達大學的科學家Uwe Kortshagen所領導的研究團隊所研發出來的新技術就沒有上述的缺點，可以生產出幾乎沒有任何瑕疵的奈米微晶粒子，而且其粒子粒徑的分佈非常的狹窄。穿透式電子顯微鏡的量度顯示出，利用這種新技術所製造出來的奈米微晶粒子，其粒徑都介於20─80奈米之間，而且其形狀主要都是呈現立方體。

Filamentary plasma
絲線狀的電漿。上面的影像乃是一張均時的照片。此照片是以一台高速照相機所拍到的，其曝光時間大約為25微秒。(下面影像).
影像來源: U Kortshagen.

東麗的奈米加工技術可以在纖維上形成功能材料塗層

10/28/2004, Nikkei BP Network, 日本東麗10月22日宣佈，成功地開發出了可使用奈米技術提高纖維性能的“奈米級加工技術”。編織品的每一根纖維都要形成由厚10～30奈米的分子聚合物組成的功能材料塗層。“可在不破壞手感的情況下提高耐用性、發現新功能、進行功能合成、擴大用途，等等。”

塗在單纖維表面的功能材料

利用功能材料進行塗層處理的單纖維表面

過去那些使用奈米技術的加工技術，一般在豎向排列的纖維之間會產生縫隙，在編織的交叉部位會附著不均衡的功能材料。作為新技術，可通過溫度、壓力、磁場、電場、溫度和添加劑用量，對功能材料的排列和分子聚合狀態進行控制，對功能材料與纖維的相互作用和反應進行控制，從而使之均衡地附著在纖維表面。
與過去相比，即便著裝時布料發生了伸縮，功能材料也不會剝離和脫落。另外，“能夠將必須吸收一定程度的水份的抗靜電加工與不能粘上水份的防水加工等相互矛盾的功能進行合成。”

空氣電池的能源密度提高20倍的技術

10/13/2004, Nikkei BP Network, 松下電器產業開發出可實現大容量空氣鋅電池的要素技術，並在電氣化學國際學會“ECS 2004 Joint International Meeting”上發表（演講號碼1520）。空氣鋅電池為一次性電池，其正極活性物質利用空氣中的氧氣。由於負極材料鋅佔電池組成材料的絕大部分，因此其特點是能源密度相當於以往電池的2倍～3倍。由於能源密度高，可用於助聽器及傳呼機等。此次松下電器產業通過減小空氣鋅電池正極使用的錳氧化物粒徑，從而增加了幫助反應的錳氧化物的量。根據測量結果，單位重量的電流密度相當於以往產品的20倍。另外粒徑減小後輸出電壓可提高0.3V左右。因此“單位重量的能源密度有可能達到以往產品的20倍以上。”

為了減小錳氧化物粒徑，採用了照射脈衝激光使錳原子氣化後再堆積到電極上面的方法。此時錳粒子的直徑為約5奈米，並採用了使其像積木那樣堆積到10微米左右的結構。“過去的錳氧化物為直徑幾微米的粉末狀物質。此時由於很多錳氧化物無助於反應因此效率低下。”該技術還可應用於燃料電池的空氣極。今後將進一步評價特性。

燃料電池的催化劑層形成技術

10/13/2004, Nikkei BP Network, 日本佳能和日本工業技術綜合研究所（AIST）的研究小組開發出面向小型燃料電池的電極技術，並在國際學會“ECS 2004 Joint International Meeting”上發表（演講號碼：1913）。這是佳能首次透露正在研究便攜式設備用燃料電池的要素技術。該技術適用於數碼相機等便攜式設備。該公司此次發表了可提高燃料電池輸出密度的催化劑層形成技術。固體高分子型燃料電池使用氫氣或甲醇做為燃料，此類燃料電池中空氣極（陰極）氧化還原反應速度慢成為提高輸出密度的瓶頸。為了提高氧化還原反應速度，業界正在研究提高催化劑Pt（鉑，白金）粒子利用效率的方法。為了提高該催化劑的反應特性，佳能等開發出電極減小催化劑層厚度的技術。以往通常的催化劑層厚度為約10微米，此次減小到1微米。通過減小催化劑層的厚度，縮短Proton-Ion通道從而提高了氧化還原反應速度。

應用濺射技術形成的Au層和Pt層。

應用濺射技術減小了催化劑層的厚度。以Pt和Au（金）為目標，利用濺射工藝催化劑在氟樹脂（PTFE：Poly Tetra Fluoro Ethylene，聚四氟乙烯）薄膜上形成催化劑層。首先形成約200nm的Au層和約600nm的Pt層後，利用熱壓工藝壓接到固體高分子電解質膜上，製作電解質膜和電極複合體（MEA）。MEA的尺寸為32mm×32mm。雖然催化劑層厚度薄，但輸出電壓和輸出電流特性超過了以往催化劑層。與以往混合導電材料等的催化劑層相比，輸出電流相同時輸出電壓更高。該公司表示，今後將通過改進進一步提高空氣極的反應速度。

美國公司開發出鋰電池用新負極材料

10/13/2004, Nikkei BP Network, 英國AEA Technology Battery Systems Ltd.和美國FMC Corp.開發出鋰離子在石墨化炭黑中混入金屬鋰粉末而成的充電電池負極材料及其電池組，並在國際學會“ECS 2004 Joint International Meeting”上發表（演講號碼：311）。在鋰離子充電電池負極材料中使用金屬鋰後，可增加單位重量和單位體積的鋰離子量，從而有可能提高能源密度。因此使用金屬鋰是可說是鋰離子充電電池的“終極方案”。不過在電極材料中使用金屬鋰後，在反復充放電後負極將堆積樹突（鬚狀結晶，dendrite），最壞可能導致正極和負極短絡。為了避免這一現象，AEA等採用了在石墨化炭黑中混入金屬鋰粉末的結構。此時通過採用其自主開發的穩定化技術，降低金屬鋰的反應性從而抑制發生樹突。該公司將該金屬鋰粉末稱之為“SLMP（Stabilized Lithium Metal Powder）”。金屬鋰粉末的直徑在幾微米～幾十微米之間。

AEA主張，由於只需要混入金屬鋰粉末既可，因此可消除電極材料的限制。“迄今為止負極使用炭黑，正極使用鋰氧化物等，今後正極材料和負極材料均可從多種材料中選擇。混入我們的金屬鋰粉末後，過去從未用做電池電極的材料有可能用於鋰離子充電電池的負極材料。同時正極材料也不限於使用鋰氧化物”（美國FMC）。作為實例，公開了正極使用釩氧化物，負極採用混入金屬鋰粉末的石墨的鋰離子充電電池的充放電特性。不過此時，與現行系統（正極使用鈷酸鋰，負極使用石墨化炭黑）相比，放電電壓低1V～1.5V。

東芝試製利用矽的鋰離子充電電池

10/13/2004, Nikkei BP Network, 東芝開發出下一代鋰離子充電電池用材料，並在電氣化學國際學會“ECS 2004 Joint International Meeting”上發表（演講號碼312）。鋰離子充電電池的負極材料除以往的graphite carbon外還使用了矽。通過使用矽來提高能源密度。當使用矽時，單位重量電極的理論放電容量可達到4000毫安/g，相當於graphite carbon的10倍左右。但經過反復充放電後電極體積容易膨脹，因此充放電週期壽命極短。“吸入鋰後將受膨脹破裂”（東芝）。此次東芝採用了在二氧化矽材料內部析出矽微細粒子的結構。混合該二氧化矽材料和graphite carbon形成電極。矽粒子的直徑在2nm～10nm之間，矽粒子間的距離為幾十奈米到幾百奈米之間。這不僅擴大了矽的表面積從而容易分散應力，而且由於矽和二氧化矽的結合力強不容易分離從而可防止崩潰。

充放電週期特性

東芝實際測量此次試製的負極材料的結果，在特定條件下即使反復充放電200次，容量也未見明顯減少。單位重量的電極放電容量為約700毫安/g，相當於graphite carbon的理論值的兩倍左右。不過最初充放電效率（初期效率）為70％，低於現行鋰離子充電電池的95％左右。初期效率差的原因可能是“最初充電時矽表面形成保護膜等，詳細情況目前還不清楚”。今後將通過改進提高初期效率及考慮正極材料使用鈷酸鋰以外的材料。

鉑減至1/10的燃料電池催化劑應用技術

10/13/2004, Nikkei BP Network, 美國Brookhaven National Laboratory開發出新技術，可使燃料電池電極催化劑鉑（白金，Pt）的使用量減少到目前的約1/10的技術，並在2004年10月3日開始在夏威夷舉行的電氣化學相關國際學會“ECS（Electrochemical Society）2004 Joint International Meeting”上發表（演講號碼1502，1857）。由於可減少價格昂貴的稀有金屬鉑（Pt）的使用量，因此該研究成果將有助於降低燃料電池的成本。

在釕上面配置鉑（Pt）

在燃料電池電極的催化材料中，其中的燃料極（正極）等多使用鉑和釕（Ru）合金。此時，僅合金錶面的鉑參與催化反應，而內部鉑卻不參與反應。因此Brookhaven研究所開發出在釕的表面涂敷鉑原子的技術。從而使90％以上的“鉑參與反應”（該研究所研究人員）。一般來說，當鉑被用做催化劑時容易凝聚，因此很難減小其粒徑。實際鉑使用量在18μg/cm²左右。該研究所將在釕表面形成的鉑層稱為“亞單層（submonolayer）”。關於亞單層的形成方法，該研究所表示採用了“Spontaneous Deposition”，但沒有透露詳細內容。此時鉑和釕的摩爾比為1:20。該研究成果對鈷中毒也具有較高耐性。

Brookhaven研究所委託美國Los Alamos National Laboratory研究其試製的催化劑的耐久性。此次發表會上表示，已收到報告使用約900小時後沒發現耐久性問題。“美國能源部（DOE）製訂的目標值是連續驅動2000小時，我們的催化劑技術完成可以超過這一目標”（該研究所的研究人員）。此次發表的是關於正極的研究成果，該研究所還將在本屆ECS 2004上還將發表關於空氣極（陰極）的研究成果。

單一碳原子薄膜

10/22/2004, Nanotech Web, 英國和俄國的物理學家最近已經研發出一種碳原子的薄膜，其厚度僅有一個原子的大小，此薄膜可能具有非常有用的電子特性。Andre Geim和其在英國曼徹斯特大學以及俄國Chernogolovka微電子技術學院的研究同僚所開發出來的碳原子薄膜，可以被加工製造成電晶體，未來也有可能在半導體產業應用上，變成矽晶的替代品。此研究團隊將其研發成果法表於: K S Novoselov et al. 2004 Science 306 666。

Andre Geim和其研究同僚從一個石墨厚晶體的表面，藉著機械的方法來剝出一層層的石墨單層 (graphene)，也就是二維碳原子的薄膜，然後使用一個由光學，電子束和原子力顯微術所結合而成的技術，來將最薄的薄膜分離出來。這樣他們就可以製造出長寬幾十微米的薄膜，而其厚度都僅有幾個奈米。接著這個英國─俄國的研究團隊使用了標準的光蝕刻技術以及化學蝕刻技術，將此薄膜加工製造出場效應電晶體。在室溫下，此元件中的電子都可以從源極到洩極以彈道的模式行進，沒有任何的散射現象。

會發光的複合纖維

10/19/2004, Nanotech Web, 美國麻省理工學院的科學研究團隊已經開發出一種新型的光電子纖維，在此纖維之中包含了金屬性，絕緣性和半導體性的各種層次。這些纖維可以被編織成一種光譜布料 (spectrometric fabric)，未來將可以被應用在製造一些光電元件，例如光子偵測器，也可能可以應用在衣服上的光敏感材料。他們將其研發成果發表於: M Bayindir et al. 2004 Nature 431 826。

用導體，絕緣體和半導體所製造出來的複合材料經常地被使用在製造電子和光電子元件中。然而一般這種元件通常都是在一個非常精密的晶圓鑄造製程中被製造出來，這意味著它們一定要被限制在一個平的表面上，而且也會被限制在一些微小的面積之中。相對之下，如果我們能夠從一個捲盤中或是一個管子之中抽取所需的纖維，則浙江會是一種比較簡易的技術。而且這種技術將可以被用來製造出長度較長，較均勻的纖維，以及具有較優質的光學特性。

麻省理工學院的科學家Yoel Fink

麻省理工學院的科學家Yoel Fink和其研發同僚首先將一種導體性的微晶體 (錫)，一種不定型半導體 (砷化硒) 以及一種絕緣體 (polyetherimide) 排列安置入一個20公分高的圓柱體中，也就進行所謂的 “預先成型，

// 奈米技術：一個不小的機會 / 奈米創業需要好夥伴 / / 環保和公民團體代表拒絕邀請參加國際奈米科技大會 / / 奈米產業界必須要找出更多方法來解釋看不見的奈米世界 //

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