奈米科技研究儀器

要研究各類凝態之奈米（nanometer）尺度的結構及物理特性，例如各類奈米結構的光學性質，並更進而能製作各類有用之奈米尺寸的人工結構，其實驗工具有：電子穿隧掃描探針顯微儀（Scanning Tunneling Microscope)，原子力顯微儀（Atomic Force Microscope），磁力探針顯微儀(Magnetic Force Microscope)及近場光學掃描探針顯微儀(Scanning Near-Field Optical Microscope)等。可作各類表面上之奈米尺度的力學性質(或表面形貌)、電性、磁性及光學性質等之物理性質的研究，尤其是奈米光子學(Nano-photonics)的研究。目前應用這些儀器的實驗研究有：光電半導體結構及元件的近場光電特性研究、近場光學奈米微影研究、超高密度近場光碟結構的研究、積體光學波導的近場光學性質研究、光子晶體的奈米光學作用研究、各類光纖結構及其遠場與近場光學性質的研究、奈米粒子及其顆粒串的近場光學作用研究、碎形薄膜的近場光學作用研究、侷域表面電漿子的近場光學作用研究、量子點結構之近場光學影像光譜研究等。

掃描探針技術之新發展

掃描探針技術(Scanning Probe Techniques)對於未來發展奈米科技(Nanotechnology)的各項基礎及應用領域都具有關鍵性的重要地位。其中以掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy, STM)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)和近場光學顯微鏡(Scanning Near-Field Optical Microscopy, SNOM)等為代表的奈米級顯微鏡已形成一類新的顯微技術(通稱為Scanning Probe Microscopy, SPM)掃描探針顯微術。其特點是採用一個極微小(奈米級大小，10-9-10-7m)的探針或量測某特定物理性質的微感測器(例如量測磁性的SQUID或Hall奈米感測器)，在距樣品表面極小的距離內進行掃描，以同時獲得樣品表面的各種訊息(表面結構、高低起伏、電性、磁性、光學性質、表面電位等等)。 SPM不僅可以幫助人們認識奈米世界，而且還可以被用來操縱原分子、製造奈米新材料、進行奈米微影及微加工、甚至用為超高密度的資料儲存方法。SPM的分辨率主要取決於針尖的大小、形狀與樣品之距離以及感測特性等，當進行電、磁力顯微鏡或奈米微加工時，針尖的大小及形狀更是關鍵之一。直徑在奈米尺度的碳奈米管(Carbon Nanotube)具有極高的長寬比(Aspect Ratio，直徑在1-10nm範圍，而長度可達mm甚至mm級)和化學可塑性(可用化學分子修飾其底部或填充特殊物質於其管內)，比以往常用的AFM或STM針尖更為理想。將一簇或者單支的碳奈米管粘在AFM的矽懸臂探針之尖端以作為新的探針，將可大大提高SPM的分辨率及鑑別能力。尤其碳奈米管的機械性質極為優異，其硬度及韌性極高，強度(Yield Strength)比不銹鋼高10-100倍，比重才是鋼的25%，其機械性質甚至可與金鋼石相比擬。許多實驗數據証實碳奈米管具有非常好的彈性，既使彎折角度甚大仍不會折斷，是天造地設的探針材料。目前碳奈米管的研究方興未艾，其中用碳奈米管作為SPM的探針已明顯表現出極佳的優勢及重要性，眼前世界上僅有數個研究群具此能力。

三維表面量測與量化技術簡介

1981年，在瑞士蘇黎世 IBM 實驗室內，Binnig 和 Rohrer兩位科學家使用具有原子級解析能力的掃描式電流穿隧顯微鏡 ( Scanning Tunneling Microscope, STM)) 量測物體表面，並成功的獲得該物體之三維表面圖像 (Three-dimension Images) ；這新發明的儀器使得 Binnig 和 Rohrer 獲得1986 年諾貝爾物理獎。 STM 的作用原理乃是利用一極細小的導電探針以極靠近 (<10nm) 的距離掃描工件表面，由於試片表面起伏不平，探針藉著與試片表面間距離的改變而改變流過試片的電流，因此工件表面圖貌 (Surface Topography) 得以被描繪出來。近十餘年，相關技術蓬勃快速的發展，類似的原理不斷被加以利用，各種新儀器不斷推出，例如原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM)、磁力顯微鏡 (Magnetic Force Microscope, MFM) … 等一系列儀器，均被歸類為掃描探針式顯微鏡 (Scanning Probe Microscopes, SPMs) ，而其相關技術亦被稱之為掃描探針式顯微術，此技術為奈米科技的發展奠基，目前已受到全球科技界的重視與歡迎，並被廣泛應用於電子、電機、微機電、材料、生化和醫學 … 等各領域。三維量化技術是將量測出之數據藉由各種不同的分析方法，如統計、數學或工程趨近的方式提供一個基本的描繪和說明工件表面特性；進而以參數的方式控制製程(Manufacturing Process) 達到製造最佳功能表面特性之產品。