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。

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。

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。

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)

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。