自1980年代科學家研發奈米尺度材料（Nanometer-scale Materials）後，如今處於21世紀的我們，眼看科技發展已一日千里，奈米科技如今占所有科學領域的鰲頭，然而奈米領域十分廣泛，包含有奈米材料、奈米電子、奈米光電、奈米化工、奈米生技等，每個學科都是一門大學問。為便於讀者認識奈米科技，在此以奈米材料為主題，並且以幾個特殊的奈米材料為題材，簡要敘述奈米材料的發展概況。奈米材料目前研究的課題，可分為半導體奈米材料、磁性奈米材料、金屬奈米材料、特殊奈米結構材料、掃描式微探測技術（Scanning Probe Techniques）、超分子化學（Supermolecular Chemistry）等，本文則以半導體奈米材料為主軸，說明奈米材料的研究與應用。
表一 與奈米材料相關的素材的市場動向| 素材 | 2000年 | 2010年 | 2020年 |
|---|---|---|---|
| 碳簇/碳奈米管 | 91 | 783 | 2,887 |
| 自動裝置材料 | 525 | 1,875 | 5,250 |
| 光觸媒 | 506 | 7,340 | 14,145 |
| 超導材料 | 12,743 | 52,050 | 53,550 |
| 形狀記憶合金 | 177 | 177 | 402 |
| 智慧型材料 | 1,087 | 3,600 | 11,325 |
| 形狀記憶纖維 | 300 | 750 | 750 |
碳奈米管
1985年，美國科學家Richard E. Smalley首先發現碳60分子的富勒結構，其外型像足球呈中空網狀結構；而後於1991年，日本電子顯微鏡專家Sumio Iijima首先發現碳奈米管（Carbon Nanotubes；CNT）；1991年，日本NEC發現MWNT（Multi-walled Carbon Nanotubes；多層碳奈米管）後，緊接著1993年，IBM又發現SWNT（Signal-walled Carbon Nanotubes；單層碳奈米管）。自日本與美國先後發現碳奈米管後，由於碳奈米管為現今矽電晶體的五百分之一，只有頭髮的一萬分之一大，可應用於微電子元件、平面顯示器、無線通訊、燃料電池、鋰離子電池等，涵蓋領域包括半導體、光電、通訊、PC產業，尤其碳奈米管符合奈米科技的要求，因此在今年全球颳起奈米科技風潮的同時，碳奈米管也成為眾所矚目的焦點之一。(表一)何謂碳奈米管？碳奈米管是由碳原子構成一堆細小的管子，這些管子只有幾個奈米大，許多個碳原子堆疊成蜂巢狀後，其結構近似於石墨（Graphite）。然而碳奈米管並不是全都可以用於半導體領域，因為碳奈米管又分為半導體型及金屬型碳奈米管，只有半導體型碳奈米管才可以製成電晶體。研究碳奈米管的特性，根據工研院化工所的資料顯示，由於碳奈米管的碳原子結構，造成許多新的性質，包括直徑為0.7～50nm，長度為1μm以上，密度是1.3～1.4g/cm3，導熱性為23.2W（cm K）-1，電子放出個數為鉬的100倍，氫氣儲存為5～7wt％（SWNTs），楊氏係數約1 Terapascals，因此碳奈米管具有質量輕、高強度、高韌性、高熱導度、導電性等特性。碳奈米管可分為MWNTs及SWNTs。目前碳奈米管的製程方法，包括電漿法（Plasma Discharging）、雷射激發法（Laser Ablation Method）及金屬催化熱裂解法（Metal Catalyzed Thermal Chemical Vapor Deposition Method）等，為製造出更精純的碳奈米管，1996年Rice大學Smalley’s Group以電射剝離氣化石墨法（HiPco），研製出直徑更均勻的SWNT。我國目前從事碳奈米管研究的單位為工研院化工所，該機構將以觸媒技術，開發創新觸媒系統進行碳原子重組排列的化學反應，以達到控制碳奈米管的管徑與管徑分布，預計未來將應用於場發射顯示器（FED）。雖然碳奈米管前景看好，但是至目前為止，也只有CNI（Carbon Nanotechnologies Incorporated）公司提供高純度的SWNT，每公克售價500美元，由此可知，製造高純度、高均勻性的碳奈米管，仍有技術上的困難；另外，如何在IC上成長碳奈米管，也是科學家急思突破的技術難點。除非能克服技術問題，使碳奈米管能真正量產，讓碳奈米管的成本降低，碳奈米管商品化的夢想才能實驗。
表二 五種磁阻數量級比較| 名稱 | OMR | AMR | GMR | CMR | TMR |
|---|---|---|---|---|---|
| MR比 | -4.8B2％ | 2％ | 5％ | 10％ | 50％ |
| 磁場 | T | 10 Oe | 10 Oe | T | 10 Oe |
| 溫度 | RT | RT | RT | ＜RT | RT |
奈米磁電阻材料
由於奈米材料結構中，有一重要特徵，就是「自旋」的存在，所以在此簡短附帶一提自旋電子學中的磁電阻材料，以此加深對奈米材料的了解。自去年Motorola展示1MB的MRAM（Magnetic Random Access Memory；磁性隨機存取記憶體），以及IBM與Infineon也於去年底至2004年將合作量產MRAM後，MRAM不但挑戰DRAM的地位，同時使用於MRAM中的磁電阻型材料，也成為迎接MRAM及奈米科技時代的重要技術之一。事實上，磁電阻材料不只應用於MRAM上，還包括感應器、自旋電晶體等，然而MRAM這個記憶體能夠實現，才使得轉而注意到磁電阻材料的重要性。
近十年以來，發現的自旋磁電阻材料可分為GMR（Gi ant Magnetoresistance；巨磁電阻）、CMR（Colossal Magnetoresistance；超巨磁電阻）及TMR（Tunneling Magnetoresistance；穿隧磁電阻），這些材料都具有磁電阻變化大、無方向性及負磁電阻變化行為的特性，其中又以TMR為自旋相關磁電阻中最有前途的材料。另外，比GMR、CMR、TMR更早發現的OMR（Ordinary Magnetoresistance；常磁電阻）及AMR（Anisotropy Magnetoresistance；異向磁電阻），卻因應用價值大多只限於作簡單的感應器，因此較少為人提到。(表二)
雖然TMR是目前磁電材料中的重要技術之一，然而TMR目前也存有技術瓶頸，言及至此，就需談到TMR的氧化層問題。TMR具有高MR比值的薄膜，其主要使用的絕緣層為Al2O3（氧化鋁）。據了解，TMR之所以有氧化層的問題，原因是厚度控制太薄或太厚，都會影響到電子穿隧的難易度。根據台灣大學物理學系張慶瑞教授於【旋轉的新世紀】一文指出：「若要將TMR實用，則TMR膜的電阻值需降低，並且與元件中的其它器件層匹配，然而絕緣層一變薄，電阻值下降後，MR值卻也跟著下降，導致零敏度降低。」由此可知TMR的困難度。
儘管TMR研究有其瓶頸，由於其製程方式簡單及具高附加價值，使用目前的半導體製程即可，因此許多產業人士十分看好該材料的發展。TMR主要應用在MRAM上，DRAM廠茂德科技營業處經理林育中曾表示，MRAM未來也可朝SoC（System-on-chip；系統單晶片）發展，顯示MRAM有很大的市場潛力。MRAM目前主要的製程為0.5～0.6微米，Die-size還是太大，商品化的目標尚未達成，但是未來聯邦先進推出0.35微米的MRAM後，預計將可漸漸進入市場。
特殊奈米材料
雖然世界各國開始努力於奈米科技的研究，尤其美國也提撥出大筆預算，希望在奈米研究上也居全球之領先地位，但是目前只有少數幾家公司有奈米產品。依據工研院材料所提供的資料顯示，Argonide Nanomaterials Technology公司利用特定氣體環境中藉電爆炸金屬絲，而獲得(表三)之乾式奈米粉體，其可應用於微電子之電導體及電容器、催化劑、潤滑劑、防蝕塗裝、助燃劑等。
表三 藉電爆炸金屬絲獲得多種乾式奈米粉體| 材質 | 平均尺寸（nm） | 比表面積（m2/g） | 形狀 |
|---|---|---|---|
| Al | 80-150 | 8-18 | 球體 |
| Al | 30-50 | 20-48 | 結晶 |
| Cu | 100-150 | 5-8 | 球體 |
| Cu | 30-50 | 12 | 結晶 |
| Ni | 80-100 | 4.5-6 | 球體 |
| Ni | 30-50 | 7.5 | 結晶 |
| Zu | 100-200 | 4.1-6 | 球體 |
| Al2O3 | 30-50 | 20-45 | 球體 |
| AlN | 50-60 | 36 | 結晶 |
結語
奈米材料除了以上所談碳奈米管、磁電阻材料及奈米粉體外，尚有奈米線（Nanowires）、半導體氧化物奈米帶（Nanobelts）、奈米簇（Nanoclusters）、碳60、半導體奈米晶體、中孔徑分子篩等，均對未來半導體產業有不小的影響；另外工研院材料所尖端材料實驗室進行幾項奈米研究，並評估可能對我產業帶來的衝擊，其中在半導體設備應用上，奈米流體的量產技術，將促使半導體設備本土化。(表四)
表四 工研院材料所開發的奈米材料技術及對台灣產業的衝擊| 產品／產業別 | 奈米特色 | 關鍵技術 | 產業衝擊 |
|---|---|---|---|
| ． 高潤濕性電池隔離膜／ 電池產業 | 纖維（或高分子）表面之鍵 結形成具有Multiple Bipolar 奈米結構 | 電漿表面處理技術 | ． 半年內，在中國大陸鎳氫電池 隔離膜市 場占有率由0％到6％ ．提升國產電池性能與國際競爭力 |
| ． 奈米流體／ 半導體設備及其他 | 奈米粉體表面被覆與改質、 奈米分體的製備 | 奈米流體量產技術：製 造與分散 | ．降低生產成本、提高產量與品質 ．促進半導體產業設備本土化 |
| ． 離子佈植法表面特性改質／機械工具、電子與半導體產業 | 奈米尺度晶格與鍵結重整 | 奈米微結構操控 | ．高效率、使用壽命長的研磨、切削材料 |
| ．無機光記錄媒體（ARMI） ／光碟產業 | 奈米薄膜操控（含晶相、熱 力學與光學性質） | 奈米膜層設計與操控 | ．創造未來最具競爭力（成本、密度、相容性等）的記錄媒體材料。 ．國內自主記錄媒體材料 |
| ．零溫度係數電阻材料／ 被動元件產業 | 奈米尺度晶粒與晶界之特性 操控 | 奈米膜層設計與操控 | ．創造高品質特性的被動元件材料 ．提升被動元件產品定位，提高附加價值 |
不過海峽對岸的中國大陸也正積極展開奈米技術的研究，除了2000年10月成立中國科學研究院奈米技術中心外，據統計，涉及奈米科技的產業有一百多家，而且大陸的奈米技術強調實用化路線，比方奈米粉體應用於奈米陶瓷製品等。由於大陸的奈米科技著重於實用化，預計未來將對大陸各大傳統產業帶來助益，並且創造更大的商業機會。
反觀台灣的奈米材料之研究，著重於合成與性質研究為主，探討的是超微粒之晶形及結構與化學界間的關係、材料特性的影響等，未來仍需進一步找到更具體的市場方向，以切合業界需求，如此才能提高市場競爭力，在全球奈米科技競賽中才能穩住地位。
