納米科技廣義的定義，泛指尺寸小于100nm(納米)的材料，而研究納米材料的科學(xué)技術(shù)泛稱為「納米科技(Nanotechnology)」。納米技術(shù)的研究領(lǐng)域非常廣泛，包括納米物理、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米機(jī)械加工學(xué)等、納米力學(xué)和納米測(cè)量學(xué)等等，很多前沿的研究都在持續(xù)進(jìn)行中，首先我們要知道納米科技究竟為何物！

納米科技嚴(yán)格的定義必須「同時(shí)」?jié)M足下面三個(gè)條件：

納米材料的尺寸小于100nm。

納米材料體積微小，具有全新的光、電、磁、聲、化學(xué)與機(jī)械等性質(zhì)。

納米材料必須具有全新的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用。

換句話說，只滿足體積微小并不是納米科技最重要的條件，必須具有全新的性質(zhì)與應(yīng)用，才是納米科技討論的重點(diǎn)。

值得一提的是，對(duì)納米科技的嚴(yán)格界定須同時(shí)具備以上3個(gè)條件，但當(dāng)前整個(gè)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界均采用了較為松散的界定，也就是說只需符合以上第一個(gè)條件大小在100nm以下就可以了，這就導(dǎo)致了如今事事都是納米的亂象，很多廠家更利用這種亂象濫用了納米一詞，這篇文章就用淺顯的文句來幫助你普及知識(shí)，使你成為一個(gè)理性的納米科技判斷人。

大致可以分為納米材料

和納米技術(shù)兩個(gè)重要領(lǐng)域

納米科技產(chǎn)業(yè)至今尚不全面，很多應(yīng)用尚處于理論研究階段，故不易全面劃分，但大體上可區(qū)分為兩個(gè)主要方面:

納米材料(Nano-materials)：是指「最終成品」，意思是利用納米加工技術(shù)，將材料加工成尺寸在100nm以下的產(chǎn)品，這個(gè)產(chǎn)品即可稱為「納米材料」。

納米技術(shù)(Nano-technology)：是指「加工過程」，意思是將材料加工成尺寸在100nm以下時(shí)所使用的制程技術(shù)，我們稱為「納米技術(shù)」。

「納米材料」與「納米技術(shù)」兩者之間的關(guān)系，有點(diǎn)類似「LED」與「生產(chǎn)LED的設(shè)備」之間的關(guān)系，LED廠向LED設(shè)備商購買LED芯片或封裝設(shè)備來生產(chǎn)LED器件，因此，設(shè)備商專注在如何設(shè)計(jì)出性價(jià)比高的加工設(shè)備，而LED廠家則專注在如何利用設(shè)備生產(chǎn)LED，兩者在LED產(chǎn)業(yè)中均扮演重要的角色。

無獨(dú)有偶，納米技術(shù)的探討焦點(diǎn)也是如何對(duì)納米加工設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，納米材料的探討焦點(diǎn)則是如何使用納米加工設(shè)備制造納米材料，二者都在納米科技產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

納米材料由外觀幾何結(jié)構(gòu)

分為二維、一維、零維

傳統(tǒng)上一般大小的材料，我們稱它為塊材（Bulk）。它的結(jié)構(gòu)為三維空間X軸,Y軸和Z軸均可無限擴(kuò)展，如圖一（a）所示，而納米材料可以簡(jiǎn)單地由外觀的幾何結(jié)構(gòu)分為二維、一維、零維等三種:

二維(Two-dimensional)：X軸與Y軸可以無限延伸，但是Z軸非常微小(小于100nm)，如圖一(b)所示，二維的納米結(jié)構(gòu)稱為「納米薄膜(Nano thin film)」或「量子井(Quantum well)」。

一維(One-dimensional)：X軸可以無限延伸，但是Y軸與Z軸都非常微小(小于100nm)，如圖一(c)所示，一維的納米結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)的稱為「納米線(Nanowires)」，較短的稱為「納米棒(Nanorods)」，空心的稱為「納米管(Nanotube)」。

零維(Zero-dimensional)：X軸、Y軸與Z軸都非常微小(小于100nm)，如圖一(d)所示，零維的納米結(jié)構(gòu)稱為「納米粒子(Nanoparticles)」或「量子點(diǎn)(Quantum dots)」。

圖一納米材料的幾何結(jié)構(gòu)

光電特性：LED、

激光LD發(fā)光層與量子點(diǎn)技術(shù)

一、LED/LD發(fā)光層與量子點(diǎn)顯示技術(shù)的核心原理：量子局限效應(yīng)

材料的物理性質(zhì)大部分是由電子與空穴所決定，例如「Debye德拜長(zhǎng)度」用來描述材料中電子與電子之間作用力的長(zhǎng)度、「de Broglie德布羅意波長(zhǎng)」用來定義材料的粒子性質(zhì)與波動(dòng)性質(zhì)，由于塊材在傳統(tǒng)三維空間中（bulk）的大小比以上這些電子和空穴在物理特征上的長(zhǎng)度大得多，所以它們的物理性質(zhì)可由古典物理學(xué)加以說明，然而，當(dāng)材料尺寸小至100nm以下時(shí)會(huì)非常接近德拜長(zhǎng)度和德布羅意波長(zhǎng)，從而出現(xiàn)了量子局限效應(yīng)（Quantum confinement effect）。

關(guān)于量子局限效應(yīng)，相信許多學(xué)大學(xué)物理的人應(yīng)該都不陌生吧，現(xiàn)在小編試圖用圖和文字說明這種影響:

在微觀世界里，尤其是在納米尺度之下，所有的光與電的現(xiàn)象，都會(huì)與我們看到的大尺度世界那么的不同，如圖二（a）所示（公式看不懂可以跳過去），根據(jù)薛定諤方程式波函數(shù)的解，在量子尺度（L）下，尺度的不同，電子與空穴所處的能量狀態(tài)△E也會(huì)不同，也許它會(huì)在能級(jí)Eo的位置，也許會(huì)在4Eo的位置，也許在9Eo或16Eo…..，因?yàn)槲锢沓叽绲牟煌牧现须娮拥哪芗?jí)也會(huì)相應(yīng)的變化，所呈現(xiàn)的材料特性就會(huì)與原本的材料本性差異極大，如圖二（b）所示，此時(shí)發(fā)光的能量或頻率就不再是材料本身的能帶隙性質(zhì)Eg，而是帶隙較寬的（Eg+△Ec+△Ev），能量變強(qiáng)發(fā)光波長(zhǎng)因此會(huì)變短，這樣因?yàn)殡娮优c空穴被局限在納米材料內(nèi)形成自組的穩(wěn)定態(tài)，造成光電性質(zhì)的改變，這樣的效應(yīng)我們稱為量子局限效應(yīng)。

圖二 納米尺度下的量子局限效應(yīng)

量子局限效應(yīng)最明顯的特征是納米材料的尺寸愈小時(shí)，材料發(fā)光能量愈強(qiáng)，能量越強(qiáng)表示發(fā)光的波長(zhǎng)愈短(藍(lán)色)，這個(gè)現(xiàn)象稱為「藍(lán)移(blue shift)」。

如圖三所示，各種顏色光波長(zhǎng)都不一樣，光波長(zhǎng)是指顏色，可見光里紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)、綠光其次、藍(lán)光最短，也就是說納米材料體積較大時(shí)發(fā)光能量小、顏色是紅光（波長(zhǎng)最長(zhǎng)）；當(dāng)納米材料的尺寸變小，發(fā)光能量變強(qiáng)，顏色為綠光(波長(zhǎng)次之)；當(dāng)納米材料的尺寸更小，發(fā)光能量更強(qiáng)，顏色為藍(lán)光(波長(zhǎng)最短)。

圖三量子局限效應(yīng)

二、LED與LD外延最關(guān)鍵的發(fā)光層：納米薄膜與量子井

1、種類與特性

二維的納米結(jié)構(gòu)稱為「納米薄膜(Nano thin film)」，一般指厚度小于100nm的薄膜如圖四（a）中LED結(jié)構(gòu)所示，半導(dǎo)體材料因其特殊的光電特性而常用納米薄膜多采用半導(dǎo)體材料制成，如：硅和砷化鎵等、氮化鎵或者磷化銦，光電特性優(yōu)越，可用于光電科技產(chǎn)業(yè)。

當(dāng)我們將許多層不同材料的半導(dǎo)體納米薄膜重迭在一起時(shí)，可以形成「量子井(Quantum well)」，例如：在砷化鎵晶圓上分別成長(zhǎng)砷化鎵、砷化銦鎵、砷化鋁鎵的納米薄膜或是在藍(lán)寶石上成長(zhǎng)氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵的納米薄膜，都是屬于量子井結(jié)構(gòu)，如圖四(b)的量子井LED發(fā)光層結(jié)構(gòu)所示，研究顯示具有量子井結(jié)構(gòu)的LED發(fā)光二極管或LD激光二極管元器件具有更好的發(fā)光效率。

圖四納米薄膜與量子井的定義與應(yīng)用

2、量子井應(yīng)用實(shí)例

圖四(c)為使用多層量子井結(jié)構(gòu)所制作的「量子井激光二極管(Quantum well laser diode)」，科學(xué)家稱為「垂直共振腔面射型激光(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)」，是目前已經(jīng)量產(chǎn)的商品，外觀如圖四(d)所示，這種結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用在光通訊的光源。

圖中激光采用砷化鎵晶圓，上、下都是金屬電極，上接電池正極、下接電池負(fù)極；中心上下為幾十層N型和P型納米薄膜，深色部分代表折射率大（Index），淺色部分代表折射率?。↖ndex），這類眾多層折射率不一薄膜相互作用排列而成的元器件，是一種十分重要的光學(xué)結(jié)構(gòu)，我們稱為「布拉格反射層DBR光柵(Grating)」；正中央是納米薄膜，由于它夾在中央上下的光柵之間，因此形成量子井的結(jié)構(gòu)，稱為「量子井發(fā)光區(qū)」，是激光主要的發(fā)光區(qū)域，這一層的半導(dǎo)體材料種類決定激光的發(fā)光顏色與強(qiáng)度，由于垂直共振腔面射型激光(VCSEL)使用量子井結(jié)構(gòu)，因此可以增加發(fā)光效率，具有優(yōu)良的光電特性。

3、納米薄膜制備方法

納米薄膜的制作可以使用單晶或多晶薄膜成長(zhǎng)技術(shù)，但是使用加熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍(Sputter)、等離子化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法得到的納米薄膜質(zhì)量不佳，所以目前多數(shù)采用制程條件嚴(yán)格且價(jià)格昂貴的分子束外延技術(shù)（MBE）或者有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MOCVD）制備納米薄膜，分子束外延（MBE）可以在超高真空下將原子「一層一層地」成長(zhǎng)在晶圓表面，因此控制得很精準(zhǔn)，可以制作單層的納米薄膜，也可以制作多層的量子井結(jié)構(gòu)。

顯示技術(shù)的新王牌：

納米粒子與量子點(diǎn)

1、LED與LD在發(fā)光層上呈現(xiàn)的量子點(diǎn)效應(yīng)

零維的納米結(jié)構(gòu)稱為「納米粒子(Nanoparticle)」，泛指顆粒大小(直徑)在100nm以下的顆粒，如圖五(a)所示，由于半導(dǎo)體材料具有特別的光電特性，因此常見的納米粒子大多是使用半導(dǎo)體材料制作而成，例如：硅、砷化鎵、氮化鎵等，具有優(yōu)越的光電特性，應(yīng)用在光電科技產(chǎn)業(yè)。

當(dāng)我們使用半導(dǎo)體納米薄膜來覆蓋納米粒子時(shí)就會(huì)形成量子點(diǎn)（Quantum dot）結(jié)構(gòu)，如：藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)氮化鎵底層材料，氮化銦鎵發(fā)光層由于溫度變異而產(chǎn)生相分離效應(yīng)，在發(fā)光層上會(huì)出現(xiàn)與富銦（Indium Rich）相似的氮化銦鎵納米粒子，再生長(zhǎng)一層氮化鋁鎵奈米薄膜或氮化鎵奈米薄膜復(fù)蓋，則屬富含量子點(diǎn)之量子井結(jié)構(gòu)。

如圖五(b)所示，諾貝爾物理獎(jiǎng)得主，也是氮化銦鎵藍(lán)光LED發(fā)明人中村修二教授認(rèn)為具有量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的氮化銦鎵發(fā)光LED或激光LD光電器件具有更好的發(fā)光效率。

圖五利用MOCVD制作納米粒子與量子點(diǎn)

2、納米粒子制備方法

納米粒子之制造可利用薄膜成長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行，但均須搭配合適之設(shè)備，以控制不同之溫度及壓力協(xié)助，才能輕易地生成納米粒子，否則會(huì)形成納米薄膜如：加熱蒸鍍，電子束蒸鍍，濺鍍（Sputter），等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD），分子束外延（MBE），有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）。例如，像圖五(c)所示，如果要制備氮化銦鎵納米粒子，可以使用有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，將氨氣與有機(jī)金屬三甲基鎵，三甲基銦分別混入氫氣或氮?dú)馔ㄈ敕磻?yīng)腔體，控制不同的壓力與溫度就可以得到氮化銦鎵納米粒子，可以發(fā)出很亮的藍(lán)光或綠光。

3、量子點(diǎn)顯示技術(shù)：有機(jī)會(huì)成OLED后市場(chǎng)上追求的夢(mèng)幻顯示科技

由于量子局限效應(yīng)，不同尺寸的納米粒子會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)(顏色)的熒光，例如：硒化鎘(CdSe)直徑10nm時(shí)發(fā)出紅色熒光，直徑5nm時(shí)發(fā)出綠色熒光，直徑2nm時(shí)發(fā)出藍(lán)色熒光，如圖六(a)所示，而其發(fā)光強(qiáng)度較傳統(tǒng)有機(jī)熒光物質(zhì)要高出10倍以上，另外與現(xiàn)有顯示技術(shù)相比量子點(diǎn)還具有自發(fā)光和高對(duì)比度等特點(diǎn)、廣視角和輕薄可繞曲的優(yōu)勢(shì)將使其有望成為OLED后市場(chǎng)急需追逐的夢(mèng)幻顯示科技。

最近市面上的顯示科技有點(diǎn)群魔亂舞，4k8K LCD、OLED、Micro LED、激光電視與量子點(diǎn)QLED五家爭(zhēng)鳴，量子點(diǎn)顯示技術(shù)目前還不是很成熟，但是為什么市面上還是有很多打著量子點(diǎn)旗號(hào)的QLED電視呢？

如圖六(b)所示，目前的量子點(diǎn)電視是利用量子點(diǎn)發(fā)光頻譜集中的特性，發(fā)出高純度的顏色，進(jìn)而達(dá)到更好的全彩顯示，將量子點(diǎn)加在LCD背光源上，量子點(diǎn)吸收背光源的光，以光致發(fā)光(Photoluminescence ;PL)重新發(fā)出高純度的光，成為純色的背光源，制作出高彩度的顯示技術(shù)，近日,TCL和QD Vision聯(lián)合發(fā)布了55吋4k量子點(diǎn)電視，正是采用了這一技術(shù)，但是，如此量子點(diǎn)光致發(fā)光技術(shù)，僅僅只是在傳統(tǒng)的LCD技術(shù)加上量子點(diǎn)薄膜作為色彩調(diào)整，雖然帶來了優(yōu)良色彩特性，但本質(zhì)上還是受限LCD顯示技術(shù)，依然享受不到高對(duì)比度，廣視角以及輕薄可繞曲的優(yōu)勢(shì)！

由于人們對(duì)于這門技術(shù)還很生疏，還不具備了解如此高深物理的能力，電視廠家打上量子點(diǎn)這一高科技名詞就自然而然地引起了普通老百姓的注意，其實(shí)目前QLED電視還只是LCD電視改良版而已！

最常見的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖六(c)所示，一般包含無機(jī)半導(dǎo)體核心層（core，直徑約1~10nm）、寬帶隙無機(jī)半導(dǎo)體殼層（Shell），以及最外層的有機(jī)配體（Ligand），核心層是量子點(diǎn)主要發(fā)光層，使用不同種類材料例如CdSe、CdS、InP與ZnSe ，合成不同的尺寸大小，可以調(diào)整量子點(diǎn)發(fā)光的顏色，利用合成的時(shí)間、溫度以及反應(yīng)物的濃度，加上合成后的過濾篩選，可以使量子點(diǎn)的大小更一致且均勻，發(fā)出更純的光色。殼層對(duì)核心層進(jìn)行包復(fù)，將氧氣和濕氣隔離，同時(shí)修復(fù)核心層的缺陷以提高發(fā)光效率，且最外一層有機(jī)配體可將量子點(diǎn)散布于各種非極性有機(jī)溶劑之中，利于利用溶液制程制備量子點(diǎn)發(fā)光器件。

今后QLED器件、制程方法及發(fā)光結(jié)構(gòu)將更接近于現(xiàn)行OLED器件，圖六（d）顯示均采用電致發(fā)光，最與眾不同之處在于QLED以量子點(diǎn)為發(fā)光材料、電子和空穴傳輸層能夠利用跟OLED相近的有機(jī)材料制作下一代柔性顯示器，當(dāng)然現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)效率仍然較低，因此要想提高QLED的效率，在有機(jī)材料中添加氧化鋅ZnO電子傳輸層和氧化鎳NiO空穴傳輸層不失為一種較好提高效率的方案，目前最新的成果是利用有機(jī)材料PMMA作為氧化鋅ZnO電子傳導(dǎo)層與量子點(diǎn)發(fā)光層的緩沖結(jié)構(gòu)層，可以達(dá)到接近OLED的效率，是目前世界最前沿的QLED技術(shù)。

圖六納米粒子與量子點(diǎn)的應(yīng)用

半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的魔咒：

量子穿隨效應(yīng)

「絕緣體」是不容易導(dǎo)電的固體，例如：塑料、陶瓷，因此電子無法穿透絕緣體，但是當(dāng)材料的尺寸小于100nm以下時(shí)，因?yàn)閷?shí)在是太薄了，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子竟然可以任意地穿透絕緣體，我們稱為「量子穿隧效應(yīng)(Quantum tunneling effect)」，換句話說，塑料、陶瓷這種原本在塊材(Bulk)時(shí)是絕緣體的材料，當(dāng)它的尺寸小于100nm以下時(shí)就不再是絕緣體了。

由于在傳統(tǒng)集成電路制程中，CMOS必須使用「氧化硅」來制作閘極，因?yàn)檠趸枋呛芎玫慕^緣體，但是當(dāng)CMOS的閘極線寬小于100nm時(shí)，氧化硅的厚度可能只有10nm，由于量子穿隧效應(yīng)，這么薄的氧化硅會(huì)使電子任意地穿透而無法絕緣，所以晶圓廠不得不用別的材料代替氧化硅，這對(duì)于晶圓廠而言就是不得不加入新制程才能解決這一問題的代價(jià)，而此時(shí)納米卻成了一個(gè)不得不面對(duì)的問題。從這一事例中我們可以看出，并非所有事物都能制成納米，而必須取決于它被用于何種產(chǎn)品上?！冈摯蟮拇笮?，該小的小些為好。