自1980年代科学家研发奈米尺度材料(Nanometer-scale Materials)后,如今处于21世纪的我们,眼看科技发展已一日千里,奈米科技如今占所有科学领域的鳌头,然而奈米领域十分广泛,包含有奈米材料、奈米电子、奈米光电、奈米化工、奈米生技等,每个学科都是一门大学问。为便于读者认识奈米科技,在此以奈米材料为主题,并且以几个特殊的奈米材料为题材,简要叙述奈米材料的发展概况。奈米材料目前研究的课题,可分为半导体奈米材料、磁性奈米材料、金属奈米材料、特殊奈米结构材料、扫描式微探测技术(Scanning Probe Techniques)、超分子化学(Supermolecular Chemistry)等,本文则以半导体奈米材料为主轴,说明奈米材料的研究与应用。
表一 与奈米材料相关的素材的市场动向
素材 |
2000年 |
2010年 |
2020年 |
碳簇/碳奈米管 |
91 |
783 |
2,887 |
自动装置材料 |
525 |
1,875 |
5,250 |
光触媒 |
506 |
7,340 |
14,145 |
超导材料 |
12,743 |
52,050 |
53,550 |
形状记忆合金 |
177 |
177 |
402 |
智能型材料 |
1,087 |
3,600 |
11,325 |
形状记忆纤维 |
300 |
750 |
750 |
碳奈米管
1985年,美国科学家Richard E. Smalley首先发现碳60分子的富勒结构,其外型像足球呈中空网状结构;而后于1991年,日本电子显微镜专家Sumio Iijima首先发现碳奈米管(Carbon Nanotubes;CNT);1991年,日本NEC发现MWNT(Multi-walled Carbon Nanotubes;多层碳奈米管)后,紧接着1993年,IBM又发现SWNT(Signal-walled Carbon Nanotubes;单层碳奈米管)。自日本与美国先后发现碳奈米管后,由于碳奈米管为现今硅晶体管的五百分之一,只有头发的一万分之一大,可应用于微电子组件、平面显示器、无线通信、燃料电池、锂离子电池等,涵盖领域包括半导体、光电、通讯、PC产业,尤其碳奈米管符合奈米科技的要求,因此在今年全球刮起奈米科技风潮的同时,碳奈米管也成为众所瞩目的焦点之一。(表一)何谓碳奈米管?碳奈米管是由碳原子构成一堆细小的管子,这些管子只有几个奈米大,许多个碳原子堆栈成蜂巢状后,其结构近似于石墨(Graphite)。然而碳奈米管并不是全都可以用于半导体领域,因为碳奈米管又分为半导体型及金属型碳奈米管,只有半导体型碳奈米管才可以制成晶体管。研究碳奈米管的特性,根据工研院化工所的数据显示,由于碳奈米管的碳原子结构,造成许多新的性质,包括直径为0.7~50nm,长度为1μm以上,密度是1.3~1.4g/cm3,导热性为23.2W(cm K)-1,电子放出个数为钼的100倍,氢气储存为5~7wt%(SWNTs),杨氏系数约1 Terapascals,因此碳奈米管具有质量轻、高强度、高韧性、高热导度、导电性等特性。碳奈米管可分为MWNTs及SWNTs。目前碳奈米管的制程方法,包括电浆法(Plasma Discharging)、雷射激发法(Laser Ablation Method)及金属催化热裂解法(Metal Catalyzed Thermal Chemical Vapor Deposition Method)等,为制造出更精纯的碳奈米管,1996年Rice大学Smalley’s Group以电射剥离气化石墨法(HiPco),研制出直径更均匀的SWNT。我国目前从事碳奈米管研究的单位为工研院化工所,该机构将以触媒技术,开发创新触媒系统进行碳原子重组排列的化学反应,以达到控制碳奈米管的管径与管径分布,预计未来将应用于场发射显示器(FED)。虽然碳奈米管前景看好,但是至目前为止,也只有CNI(Carbon Nanotechnologies Incorporated)公司提供高纯度的SWNT,每公克售价500美元,由此可知,制造高纯度、高均匀性的碳奈米管,仍有技术上的困难;另外,如何在IC上成长碳奈米管,也是科学家急思突破的技术难点。除非能克服技术问题,使碳奈米管能真正量产,让碳奈米管的成本降低,碳奈米管商品化的梦想才能实验。
表二 五种磁阻数量级比较
名称 |
OMR |
AMR |
GMR |
CMR |
TMR |
MR比 |
-4.8B2% |
2% |
5% |
10% |
50% |
磁场 |
T |
10 Oe |
10 Oe |
T |
10 Oe |
温度 |
RT |
RT |
RT |
<RT |
RT |
奈米磁电阻材料
由于奈米材料结构中,有一重要特征,就是「自旋」的存在,所以在此简短附带一提自旋电子学中的磁电阻材料,以此加深对奈米材料的了解。自去年Motorola展示1MB的MRAM(Magnetic Random Access Memory;磁性随机存取内存),以及IBM与Infineon也于去年底至2004年将合作量产MRAM后,MRAM不但挑战DRAM的地位,同时使用于MRAM中的磁电阻型材料,也成为迎接MRAM及奈米科技时代的重要技术之一。事实上,磁电阻材料不只应用于MRAM上,还包括传感器、自旋晶体管等,然而MRAM这个内存能够实现,才使得转而注意到磁电阻材料的重要性。
近十年以来,发现的自旋磁电阻材料可分为GMR(Gi ant Magnetoresistance;巨磁电阻)、CMR(Colossal Magnetoresistance;超巨磁电阻)及TMR(Tunneling Magnetoresistance;穿隧磁电阻),这些材料都具有磁电阻变化大、无方向性及负磁电阻变化行为的特性,其中又以TMR为自旋相关磁电阻中最有前途的材料。另外,比GMR、CMR、TMR更早发现的OMR(Ordinary Magnetoresistance;常磁电阻)及AMR(Anisotropy Magnetoresistance;异向磁电阻),却因应用价值大多只限于作简单的传感器,因此较少为人提到。(表二)
虽然TMR是目前磁电材料中的重要技术之一,然而TMR目前也存有技术瓶颈,言及至此,就需谈到TMR的氧化层问题。TMR具有高MR比值的薄膜,其主要使用的绝缘层为Al2O3(氧化铝)。据了解,TMR之所以有氧化层的问题,原因是厚度控制太薄或太厚,都会影响到电子穿隧的难易度。根据台湾大学物理学系张庆瑞教授于【旋转的新世纪】一文指出:「若要将TMR实用,则TMR膜的电阻值需降低,并且与组件中的其它器件层匹配,然而绝缘层一变薄,电阻值下降后,MR值却也跟着下降,导致零敏度降低。」由此可知TMR的困难度。
尽管TMR研究有其瓶颈,由于其制程方式简单及具高附加价值,使用目前的半导体制程即可,因此许多产业人士十分看好该材料的发展。TMR主要应用在MRAM上,DRAM厂茂德科技营业处经理林育中曾表示,MRAM未来也可朝SoC(System-on-chip;系统单芯片)发展,显示MRAM有很大的市场潜力。MRAM目前主要的制程为0.5~0.6微米,Die-size还是太大,商品化的目标尚未达成,但是未来联邦先进推出0.35微米的MRAM后,预计将可渐渐进入市场。
特殊奈米材料
虽然世界各国开始努力于奈米科技的研究,尤其美国也提拨出大笔预算,希望在奈米研究上也居全球之领先地位,但是目前只有少数几家公司有奈米产品。依据工研院材料所提供的数据显示,Argonide Nanomaterials Technology公司利用特定气体环境中藉电爆炸金属丝,而获得(表三)之干式奈米粉体,其可应用于微电子之电导体及电容器、催化剂、润滑剂、防蚀涂装、助燃剂等。
表三 藉电爆炸金属丝获得多种干式奈米粉体
材质 |
平均尺寸(nm) |
比表面积(m2/g) |
形状 |
Al |
80-150 |
8-18 |
球体 |
Al |
30-50 |
20-48 |
结晶 |
Cu |
100-150 |
5-8 |
球体 |
Cu |
30-50 |
12 |
结晶 |
Ni |
80-100 |
4.5-6 |
球体 |
Ni |
30-50 |
7.5 |
结晶 |
Zu |
100-200 |
4.1-6 |
球体 |
Al2O3 |
30-50 |
20-45 |
球体 |
AlN |
50-60 |
36 |
结晶 |
结语
奈米材料除了以上所谈碳奈米管、磁电阻材料及奈米粉体外,尚有奈米线(Nanowires)、半导体氧化物奈米带(Nanobelts)、奈米簇(Nanoclusters)、碳60、半导体奈米晶体、中孔径分子筛等,均对未来半导体产业有不小的影响;另外工研院材料所尖端材料实验室进行几项奈米研究,并评估可能对我产业带来的冲击,其中在半导体设备应用上,奈米流体的量产技术,将促使半导体设备本土化。(表四)
表四 工研院材料所开发的奈米材料技术及对台湾产业的冲击
产品/产业别 |
奈米特色 |
关键技术 |
产业冲击 |
.
高润湿性电池隔离膜/
电池产业 |
纤维(或高分子)表面之键
结形成具有Multiple Bipolar
奈米结构 |
电浆表面处理技术 |
.
半年内,在中国大陆镍氢电池
隔离膜市
场占有率由0%到6%
.提升国产电池性能与国际竞争力 |
.
奈米流体/
半导体设备及其他 |
奈米粉体表面被覆与改质、
奈米分体的制备 |
奈米流体量产技术:制
造与分散 |
.降低生产成本、提高产量与质量
.促进半导体产业设备本土化 |
.
离子布植法表面特性改质/机械工具、电子与半导体产业 |
奈米尺度晶格与键结重整 |
奈米微结构操控 |
.高效率、使用寿命长的研磨、切削材料 |
.无机光记录媒体(ARMI)
/光盘产业 |
奈米薄膜操控(含晶相、热
力学与光学性质) |
奈米膜层设计与操控 |
.创造未来最具竞争力(成本、密度、兼容性等)的记录媒体材料。
.国内自主记录媒体材料 |
.零温度系数电阻材料/
被动组件产业 |
奈米尺度晶粒与晶界之特性
操控 |
奈米膜层设计与操控 |
.创造高质量特性的被动组件材料
.提升被动组件产品定位,提高附加价值 |
不过海峡对岸的中国大陆也正积极展开奈米技术的研究,除了2000年10月成立中国科学研究院奈米技术中心外,据统计,涉及奈米科技的产业有一百多家,而且大陆的奈米技术强调实用化路线,比方奈米粉体应用于奈米陶瓷制品等。由于大陆的奈米科技着重于实用化,预计未来将对大陆各大传统产业带来帮助,并且创造更大的商业机会。
反观台湾的奈米材料之研究,着重于合成与性质研究为主,探讨的是超威粒之晶形及结构与化学界间的关系、材料特性的影响等,未来仍需进一步找到更具体的市场方向,以切合业界需求,如此才能提高市场竞争力,在全球奈米科技竞赛中才能稳住地位。