如何看到纳米的微观世界？

老叶科普大讲堂第十四章

纳米技术的定义

纳米技术是指“加工过程”，意思是将材料加工成尺寸在100nm以下所使用的制程技术，这也是纳米科技主要讨论的重点，就好像台积电里的积体电路制造技术一样，只是更加微小而已。

目前要加工这么微小的元件，可以使用下列两种方式：

传统微小制造技术(由大到小)

其实就是前面所介绍的集成电路制作技术，制作的步骤包括：光罩（光刻版）制作、光学曝光、化学显影、蚀刻技术等，最大的特色是“由大到小”，将光罩上比较大的线宽，利用光学原理缩小，这种技术已经使用超过三十年，优点包括：技术成熟、成本低、产量大、适合大量生产等；缺点则包括：微小程度受曝光光源限制，曝光光源所使用的紫外光波长愈短，则可以将元件制作得愈小，一般预测极限只能缩小到10nm左右。

纳米微小制造技术(由小到大)

将原子“一颗一颗”堆积出我们需要的微小结构，制作的步骤包括：观察原子、移动原子、堆积原子、分子自组等，这才是真正属于纳米科技的微小制作技术，最大的特色是“由小到大”，直接将原子排列成我们所需要的结构，这种技术大部分还在实验室研究的阶段，优点包括：微小程度不受限制，一般预测可以缩小到原子尺寸(0.1纳米左右)；缺点则包括：技术不成熟、成本高、产量小、不适合大量生产等。

传统微小制作技术在“关于集成电路原理”那一篇文章已经详细介绍过了，这里不再重覆描述，今天我将要把重点放在如何看到纳米微观的世界，因为实在是太小了，我们的头发宽度大约是100微米，而纳米是头发宽度的十万分之一，这样的世界我们已经无法利用光学显微镜来观察了（可见光的波长是380纳米到680纳米），我们需要更新的技术与设备来了解纳米尺度的世界，就让我用浅显的文句帮大家介绍这些了不起的工具吧！

纳米尺度下的原子观察

要分析与了解纳米尺度的技术制造出来的东西，第一步便是先要能够看到它们的样貌，目前人类还无法用肉眼直接看到纳米尺度的大小，因此都是使用间接的方式，利用仪器的辅助来观察原子，最好的方法就是利用比可见光波长还短的波，我们知道量子力学关于物质波的描述，所有物质都有波动与粒子的特性，在宏观的尺度下，物质波的波长非常小，例如质量为2.00g的子弹以500m/s的速度运动，它的物质波波长是6.63×10－34m（10的负34次方公尺），因此它们的波动特性几乎可以忽略不计，但是在量子的微观尺度里面，原子、质子、中子与电子的德布罗意波长跟纳米或原子尺度非常接近，以电子为例，当电子被一伏特的电压加速时（电子能量为1电子伏特，英文称为1eV），电子的物质波波长是3.71×10－9m（10的负9次方公尺，就是1纳米），如下图一所示，这样的波长可以让我们观测纳米等级的材料，利用电子观测分析微观世界的工具，这种仪器称为“电子显微镜(EM：Electron Microscopy)”，电子显微镜依照原理的不同又可以分为以下六种：

图一 电子的物质波原理示意图

1、扫描式电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscopy)

使用钨丝或六硼化镧发射电子束(热游离)，电子束的直径大约1μm，电子束就如同光束照射到物体表面，当物体表面凸出时反射电子束较多，故侦测器侦测到较强的讯号(比较亮)，如图二(a)所示；当物体表面凹下时反射电子束较少，故侦测器侦测到较弱的讯号(比较暗)，如图二(b)所示，大家一定有这样的经验，地上的凹洞比较暗，就是因为太阳光照射到凹洞内反射的光比较少的缘故。将这些强弱的讯号画成二度空间的灰阶图形，就可以得到如图二(c)所示的照片，SEM的解析度很高，可以用来观察大约100nm的结构，但是只能观察物体表面的高低起伏，所以表面平整的物体无法使用。

2、场发射扫描式电子显微镜(FEGSEM：Field Emission Gun SEM)

使用钨(W)制作纳米尖端来发射电子束(场发射)，纳米尖端可以使电子束的直径缩小到100nm以下，请参考图一，其原理与扫描式电子显微镜(SEM)相同，可以得到如图二(d)所示的照片，FESEM的解析度更高，可以用来观察大约10nm的结构，但是只能观察物体表面的高低起伏，所以表面平整的物体无法使用。

图二　扫描式电子显微镜(SEM)的原理

3、穿透式电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscopy)

使用钨丝或六硼化镧来发射电子束(热游离)，当电子束穿透物体时，电子受到物体原子排列的影响而散射，投影在下方的银幕上，如图三(a)所示，我们可以由电子束在银幕上的二维投影图，反过来推算物体原子的三维结构与结晶情形。使用时必须让电子束可以“穿透”试片，因此必须先将试片加工研磨成小于200nm的厚度才行，如何将试片研磨到这么薄又不破坏物体原有的原子排列与结构是非常困难的事，将电子束在下方银幕上的二维投影图送入电子束侦测器，就可以得到图三(b)LED结构里面超晶格与量子井的照片，TEM的解析度很高，可以用来观察大约10nm的结构，可以分辨不同材料组成，也可以观察物体的横截面。

4、高解析度穿透式电子显微镜(HRTEM：High Resolution TEM)

使用钨(W)制作纳米尖端来发射电子束(场发射)，纳米尖端可以使电子束的直径缩小到10nm以下，它的成像原理与传统的穿透式电子显微镜(TEM)略有不同，在此不再详细讨论，图三(c)是一颗硅纳米粒子的照片，HRTEM是目前所有电子显微镜中解析度最高的，可以用来观察大约1nm的结构，因此可以看到“虚拟”的原子影像，如图三(c)中微小的颗粒状影像，为什么是“虚拟”而不是真实的原子影像呢？别忘了，这些影像其实只是电子受到物体原子排列的影响而散射投影在银幕上的二维投影图而已，还必须反过来推算，才能得到物体原子真正的三维结构与结晶情形，目前已经有这种反向推算的技术，但是推算完成后也只能得到电脑绘出的三维原子排列图形(电脑绘图)，已经不算是真正的“照片”了。

图三　穿透式电子显微镜(TEM)的原理

5、扫描穿遂显微镜(STM：Scanning Tunneling Microscopy)

使用硅(Si)、钨(W)或碳纳米管(CNT)制作成纳米尖端，当纳米尖端由“金属固体”表面扫过时，尖端接近金属表面1nm以下时会产生穿遂电流，利用如图四（b）的压电材料来控制尖端随物体表面高低起伏而上下移动，原理如图四(a)所示，使激光反射后的位置也上下移动，将激光反射后的位置记录下来，并且利用电脑模拟物体表面三维高低起伏而绘出相对应的三维图形。STM只能量测金属固体表面，解析度与纳米尖端的尺寸有关，可以用来观察大约1nm的结构，因此可以看到由电脑模拟的原子影像。

6、原子力显微镜(AFM：Atomic Force Microscopy)

使用硅(Si)、钨(W)或碳纳米管(CNT)制作成纳米尖端，当纳米尖端由“任何固体”表面扫过时，尖端接近金属表面1nm以下时会产生作用力，这种作用力称为“凡得瓦力(van der Waals forces)”，利用如图四（b）的压电材料来控制尖端随物体表面高低起伏而上下移动，原理如图四(a)所示，使激光反射后的位置也上下移动，将激光反射后的位置记录下来，并且利用电脑模拟物体表面三维高低起伏而绘出相对应的三维图形，如图四(c)与(d)所示。AFM可以量测任何固体(良导体、半导体、非导体)表面，解析度与纳米尖端的尺寸有关，可以用来观察大约1nm的结构，因此可以看到由电脑模拟的原子影像。

图四　扫描穿遂显微镜(STM) 与原子力显微镜(AFM)的原理

特别说明一下，“扫描穿遂显微镜(STM)”与“原子力显微镜(AFM)”的原理相似，但是STM必须利用纳米尖端与固体表面的穿遂电流，因此只能量测金属固体表面；而AFM只是利用纳米尖端与固体表面的凡得瓦力，因此可以量测任何固体表面，包括良导体、半导体、非导体。

纳米技术之表面与界面效应(Surface and interface effect)

相同总体积的固体所具有的总表面积称为“比表面积(Specific surface area)”，假设图五(a)的固体块材与纳米颗粒具有相同的总体积，则显然纳米颗粒具有比较大的总表面积，因此我们说纳米颗粒“比表面积”较大，由图中可以看出，纳米材料的尺寸愈小，则比表面积愈大，使纳米颗粒产生许多新的特性：

图五 纳米尺度下的表面与界面效应物理特性示意图

纳米材料的尺寸愈小，大部分的原子都在表面

材料的比表面积愈大，表示大部分的原子都在表面，我们可以简化成图五(b)的平面图，图中可以看出固体块材与纳米颗粒具有相同的总体积，但是固体块材只有大约40%(32/81)的原子在表面，而纳米颗粒却有大约89%(72/81)的原子在表面，显然纳米材料的尺寸愈小，大部分的原子都在表面。

大家一定有这样的经验，将总体积相同的冰糖与砂糖放到水中，则砂糖溶解得比冰糖还要快，就是因为砂糖的比表面积较大，大部分的原子都在表面与水接触，因此溶解得比较快。科学家们经过计算，纳米材料的颗粒大小与表面原子占所有原子的百分比如图五(d)所示，图中可以看出，当纳米粒子的尺寸小于10nm时大约有20%的原子在表面，而尺寸小于1nm时则有高达99%的原子在表面，可见纳米材料的尺寸大小会明显地影响表面原子所占的比例。

纳米材料的尺寸愈小，表面“未键结电子”愈多

纳米材料的尺寸愈小，大部分的原子都在表面，因此表面未键结电子愈多，表面活性愈高，愈不安定，我们可以简化成图五(c)的平面图，因为每一个原子四周最多只有8个键结电子(八隅规则)，在固体中央的原子由于四周均被其他原子包围，所以键结电子不会裸露出来，但是固体表面与空气接触，就会有许多没有键结的电子裸露出来，称为“未键结电子”，图中可以看出固体块材与纳米颗粒具有相同的总体积，但是固体块材只有大约11%(72/648)的未键结电子，而纳米颗粒却有大约33%(216/648)的未键结电子。因此，具有很大的比表面积的纳米粒子，大部分的原子都在表面，因此表面未键结电子很多，活性很高，很不安定，具有很高的化学活性，可以应用在化学工业或生物技术，例如：金属触媒、发光标定等。

纳米技术之隐形战斗机是怎么炼成的

金的固体块材(Bulk)由于会反射黄光，并且吸收其他颜色的光，反射的黄光进入眼睛，所以看起来是金(黄)色的；金的纳米颗粒由于表面存在许多未键结电子，表面活性很高，所有颜色的光都被这些未键结电子抓住，因此会吸收所有颜色的光，没有光线反射到眼睛，所以眼睛看起来是黑色的，就像太空中的黑洞一样。

科技先进的美国发展出来极机密的“F35隐形战斗机”，就是使用纳米陶瓷粉末制作成涂料(油漆)，利用这种纳米陶瓷粉末涂布在战机的机身，由于纳米陶瓷的表面存在许多未键结电子，表面活性很高，所有“电磁波”都被这些未键结电子抓住了，由雷达发出的电磁波被机身的纳米陶瓷吸收而不会反射回雷达，因此雷达就看不到F35战斗机了，这种涂料(油漆)称为“隐形涂料”，怎么样，原理很简单吧！

大家以前都很不喜欢枯燥与艰涩的科学，尤其是难懂的近代物理，希望透过这么有趣的微观世界介绍，可以让大家提高这么一点点的兴趣，也算不白费我的周末假期了！

*注：本文由行家说APP与行家专栏作者叶国光联合出品。谢绝任何未经许可的转载。授权或者加入，请联系微信号：hangjia199

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