更具發展潛力的的金屬氧化物「奈米帶」(nanobelt) |
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2001/9/6
在Georgia Institute of Technology的研究已製造出一種新型的奈米尺度結構，它被命名為奈米帶，可以作為便宜超小型感應器、平面顯示器(FPD)零組件以及其他奈米電子元件的基礎。該大學的奈米科學與奈米技術中心主任，同時也是材料工程科學教授Zhong Lin Wang(參閱圖二)的成果。
#f#圖二：Wang與他的氧化物粉末樣品，背景為高溫爐。(由Georgia Tech Research Corp.的Gary Meek所拍攝。)
Wang說：「目前在一維(one-dimensional)系統的研究大多由碳奈米管(nanotube)所主導(參考Solid State Technology 雜誌2001年一月號第32頁的“Y-junction carbon nanotube”)。我們正在尋找其他的一維系統，它對於奈米尺度的功能性與不凡材料，也許會有很重要的應用。我們的奈米帶是發展結構的下一個階段，它在較廣泛的應用上，也許是很有用的。」
Wang與他的組員Zhengwei Pan與Zurong Dai，已經從鋅、錫、銦、鎘以及鎵等氧化物製造出奈米帶。之所以選擇這些材料，是因為它們為透明的半導電性氧化物，這也是現今許多發展中的功能性與不凡元件的基礎。但是Wang相信其他的半導電性氧化物，也許也可以使用來製造出此種特殊的結構。
根據Wang的說法，產生奈米帶是簡單的，並且可以輕易地予以比例增大，以達到工業數量的大量生產。在Georgia Tech.裡，研究小組將可在商業上取得的金屬氧化物粉末放置在一只鋁管的中央。然後將這根鋁管放在氬氣與氮氣的環境裡予以加熱，直到剛好達到此特定粉末的融點之下(1100-1400℃)。當粉末蒸發後，會在加熱爐較冷部位的鋁板上回復至固相，而形成一種結晶狀的奈米帶，這一項過程不需要純化。此過程需要控制溫度、壓力與處理時間，但是奈米帶的成長對溫度的波動或是處理時間的變動，並不顯得那麼的敏感。
完成的奈米帶以團狀(clumps)顯現，與棉花團相類似；在顯微鏡下，它們像是碎片狀的紙(參閱圖三a)。它們通常是由易碎的氧化物成份所產生，但是，我們並不用擔心，因為奈米帶具有彈性，它可以彎曲180度而不會折斷(參閱圖三b)。奈米帶典型的寬度為30~ 300nm，厚度為10~15nm。有些已經被製造出超過數個毫米的長度，但是大多數為數十個或是數百個微米長。
#f#圖三：a)顯示一「團」半導體氧化鋅奈米帶的顯微照相，以及b)個別奈米帶的TEM。
「從一種氧化物至另外一種氧化物的結晶結構會有極大的變化，但是它們均具有作為同一材料家族成員的一個共同特性，亦即擁有窄長方形斷面的彩帶似結構。」Wang解釋道，「我們比較在文獻裡所報導的圓柱形對稱奈米線與奈米帶，它們實在是一群獨特的材料。」
雖然奈米帶也許沒有圓柱形碳奈米管的高結構強度，但是它們用均勻性來彌補此種特點，這使得它們在電子與光電子應用上是很有用的。生產碳奈米管的製程仍舊無法控制的很好，以提供大量高純度，有均勻性質的無缺陷結構。然而奈米帶可以使用結構控制來加以生產，允許大量製作出純粹的形式與大部份無缺陷。
「在奈米結構中的任何缺陷，會強烈影響它們的電子與機械性質，同時，當電流通過它們的時候，有可能引發熱。這會在你想要將它們整合在高密度的越來越小元件時引起問題。」Wang這麼指出。「更重要的是，缺陷可以在似奈米線的結構裡摧毀量子，造成所製作量子元件的失效。」
由矽與其他材料所製造出的奈米線亦產生此種問題，但是這些結構會氧化，並需要在控制下的環境中，進行複雜的清洗步驟與處理。然而作為氧化物，奈米帶並不需要在特別的環境中予以清洗或是處理，而且它們的表面為原子般的清晰與乾淨。
依據氧化物奈米帶已知的性質，Wang為Solid State Technology略述至少三種重要的應用：
●氧化鋅與氧化錫奈米帶可以作為超小型感應器的基礎，因為這些材料的導電性，會在當氣體或是液體分子附著至它們的表面時，急遽的改變。
●攙雜錫的氧化銦奈米帶提供高電氣導電性，並且是光亮透明的，使得它們適合使用在FPDs。
●因為它們對紅外線放射的響應，攙雜氟的氧化錫奈米帶可以應用在能夠調整光線傳輸與熱保留的精密窗玻璃(window)裡。
「這是一個極為重要的奈米技術領域。」Wang說道。「假如我們在這些應用上成功，它可能導致擁有低功率消耗與高靈敏度奈米尺寸感應器與功能性元件主要技術的進展。」
Georgia Tech.的研究員已完成奈米帶性質的初期研究，但是他們仍舊希望能夠多了解有關的光學、電氣以及表面特性。
Wang期望奈米帶技術能夠衍生出奈米科學研究的新範疇。
「我相信此範疇將會非常迅速地擴展開來，就如同碳奈米管一般，這些奈米帶提供了新的奈米物質系統，能允許世人利用不凡的機能氧化物材料來學習奈米尺度物理以及元件製作。」Wang說道。「任何人均可以製造出它們，並且有許多可行的方法。我們確定還有很多地方正等待研究員來發現它們。」 |
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