Transcript 5 奈米 - 國家理論科學研究中心(南區)

從奈米科技談到物理發展
李定國
中央研究院物理所
中華民國九十四年四月二十一日
國立成功大學，國家理論科學研究中心
Outline
• Global and Taiwan’s effort on Nanoscience
and Nanotechnology
• Is it a fad?
• What is the role of physics ? – some
observation
奈米國家型科技計畫
•行政院國家科學委員會並於民國九十一年六月通過六年期
的奈米國家型科技計畫。
•此計畫冀盼藉由整合產學研力量，建立我國發展學術卓越
和相關應用產業所需之平台技術，同時加速培育奈米科技
所需人才，奠定我國奈米科技厚實基礎。
•九十一年九月成立【奈米國家型科技計畫】辦公室，九十
二年一月計畫開始，總經費212億，由前任計畫總主持人現
任國科會主委吳茂昆、及前工研院副院長楊日昌推動執行。
•九十三年六月國家科學委員會任命中央研究院物理所特聘
研究員李定國，及工研院副院長徐爵民擔任計畫總主持人。
National Program on Science and
Technology
The National Conference on Science and Technology
(held once every four-year) determines the scopes and
topics of the National Research Programs.
A National Research Program has the highest priority
in competing for national R & D funding.
A National Research Program is an integration of all
the research efforts from different ministries that
involve research activities.
A managing team consists of members from
academics, industrial research institutes and
industries is responsible for the execution of the
National Research Program.
奈米國家型科技計畫各部會執行計畫
國科會自然處
學術卓越計畫
學術卓越
衛生署
奈
米
國
家
型
科
技
計
畫
產業化技術
經濟部技術處
奈米產業化技術計畫
經濟部工業局
奈米技術產業化推動計畫
經濟部能源會
奈米節能技術研究四年計畫
原子能委員會
核能技術在奈米科技之發展與應用計畫
環保署
勞委會
核心設施建置與
分享運用
人才培育
奈米醫學科技研究計畫
奈米技術於環保領域之應用計畫
FY95新加入
國科會自然處
學術重點設備計畫
經濟部技術處
產業核心設施計畫
經濟部標檢局
奈米技術計量標準計畫
教育部顧問室
奈米科技人才培育計畫
奈米國家型科技計畫
規劃經費
部會
單位：仟元
FY92
（仟元）
FY93
（仟元）
FY94
（仟元）
FY95
（仟元）
FY96
（仟元）
FY97
（仟元）
決算數
決算數
預算數
規劃數
規劃數
規劃數
總計
經濟部技術處
1,855,456
2,150,164
1,722,317
1,980,665
2,830,000
3,028,000
14,220,937
經濟部工業局
19,400
24,140
37,620
43,263
120,000
144,000
445,160
經濟部能源局
26,523
36,445
38,000
40,000
40,000
40,000
220,968
經濟部標檢局
30,794
32,296
37,226
42,810
62,445
72,082
288,781
國科會自然處
641,882
644,027
690,000
793500
727,536
437,050
4,118,030
教育部顧問室
21,895
50,000
68,951
79294
80,000
80,000
380,846
原子能委員會
19,308
31,386
70,951
81594
99,000
99,000
409,645
環保署
5,660
7,200
10,100
18,000
8,000
8,000
46,960
衛生署
0
45,000
63,000
72450
100,800
120,960
419,760
勞委會
0
0
0
15,000
19,000
23,000
57,000
2,620,918
3,020,658
2,738,165
3,166,576
4,086,781
4,052,092
15,376
15,478
17,604
18,000
18,000
18,000
102,458
2,636,294
3,036,136
2,755,769
3,184,576
4,104,781
4,070,092
19,787,648
總計
計畫辦公室作
合計
20,618,087
各分項計畫六年投入經費比例
六年投入經費約200億
人才培育計畫
2%
核心設施計畫
17%
學術卓越計畫
15%
6.6% (學術), 10.4%(產業)
產業化技術計畫
66%
各部會六年投入經費
Input from Sponsoring Agencies
Atomic Energy Council
原子能委員會
Ministry of Education
教育部
Environmental Protection
Administration
Department of Health
環保署
衛生署
National Science Council
國科會
MOEA/Bureau of Standards,
Metrology and Inspection
經濟部標檢局
MOEA/Bureau of Energy
經濟部能源局
MOEA/Industrial
Development Bureau
經濟部工業局
MOEA/Department of
Industrial Technology
經濟部技術處
(一)學術卓越計畫領域
1. 奈米結構物理、化學與生物特性之基礎研究
2. 奈米尺度探測與操控技術之研發
100 Å
3. 特定功能奈米元件、連線、介面與系統之設計與
製造
4. 微/奈米尖端機械與微機電技術發展
5. 奈米生物技術
1 μm
6. 奈米材料之合成、組裝與製程研究
1μm
學術卓越暨核心設施計畫申請/通過件數統計表
學術卓越
構想書提送件數
FY92 FY93 FY94
通過提出具體計畫書件數
FY92
FY93 FY94
具體計畫書通過件數
FY92 FY93
奈米物理
22件 18件
12件
12 件
12 件
6件
6件
8件
奈米化學與材料
34件 24件
18件
16 件
12 件
11件
6件
6件
奈米生技
42件 19件
21件
10 件
12 件
9件
5件
8件
奈米機電
36件
5件
12件
9件
3件
3件
4件
3件
134件 66件
63件
47 件 39 件 29件
(35%) (59%) (46%)
21 件 25 件
(16%) (38%)
5件
9件
2件
1件
(36%) (67%) (20%)
5件 2件
(20%) (67%)
合 計
核心設施
合 計
25件
3件
學術卓越通過計畫所屬研究領域分類統計
*92年通過計畫21件；93年通過計畫25件
計畫所屬之研究領域
92
年
93
年
 奈米結構特性之理論計算、模擬與
預測
93
年
6
9
3
2
1
2
近場光學奈米微影
微機械定位及組裝
1
2
0
0
微感測器
微流體研究
2
3
3
5
軟蝕刻技術
6.奈米生物技術
0
0
2
5
3
3
4.特定功能奈米元件、連線、介面與系統
之設計與製造
1.奈米結構物理、化學與生物特性之基
礎研究
介觀物理與化學
92
年
計畫所屬之研究領域
9
7
奈米結構增強之光電元件
磁電子(Spintronics)元件及特性
7
11
孔洞及高表面積材料：中孔洞材料
3
3
燃料電池及相關基礎研究
2
0
量子點材料及光譜研究
5
6
光晶體材料及性質
2
1
高透明度有機／無機複合材料
1
1
奈米粉粒材料的應用開發
5
11
奈米結構材料研究
9
13
生物奈米感測元件與蛋白質晶片
細胞與奈米材料交互作用
5
3
2
4
2
6
2.奈米材料之合成、組裝與製程研究
近場光學奈米儲存技術
5.微/奈米尖端機械與微機電技術發展
奈米圖案成形 (Nano-patterning)技術
6
7
生物分子的奈米操控
 生物組織與細胞的奈米操控，觀察及
量測
SPM基礎研究
5
3
奈米粒子於藥物輸送與生物檢測應用
3.奈米尺度探測與操控技術之研發
(1)學術卓越
• Porous and high surface area
materials: Mesoporous
materials
• Application of nanomaterials
for energy and the related
fundamental research
• Studies on quantum dot
materials and spectrum
• Photonic crystal materials
• Highly transparent
organic/inorganic composites
• Applications of nano-particle
materials
• Fundamental studies in
nanostructured materials
• Nanopatterning
technologies
• Fundamental
research on
SPM
• Near-field
optical nanolithography
• Soft
lithography
technology
• Nanostructures
strengthened
optotronic
devices
• Spintronic
devices
• Near-field
optical storage
technologies
• Microposition
and
microassembly
• Microsensors
• Microfluid
Cross-discipline Integration
Nanomaterials
Probes & Manipulation
Techniques
25.9%*
Functional
Nanodevices
MEMS/NEMS
Technology
Mesoscopic physics and chemistry
Basics Research 31.7%*
*FY2004 budget allocation
NanoBiotechnology
25.5%*
17.0%*
Theoretical modeling
• Nanoscale bio-detectors and
bio-chips
• Interactions between biocells and nanomaterials
• Self-assembly and
manipulation of biomolecules
• Manipulation, detection and
measurement of bio-tissues,
bio-cells and organelles at
nanoscale
• Application of nano
particles for drug delivery
• Application of
nanomaterials for biomedical detection and biocompatible research
(二)產業化技術計畫領域
奈米電子
顯示器
資訊儲存
通訊
奈米構裝 奈米生技 傳統產業 能源應用
應用創新
發揮奈米特性，結合產業專門知識
奈米材料
平台技術
檢測分析/設備開發
核心設施建置
資料來源：工研院奈米中心
理論模擬
(三)核心設施建置計畫
1.
建立支援奈米研究之重點設備
2. 建立資源分配使用之網路系統
3. 資助創新之奈米相關工具之設
計/製造
核心設施建置與分享運用分項計畫現況
台大奈米科技中心－顯微技
術與奈米分析中心的建構與
管理
(台灣大學凝態科學研究中
心)
台灣聯合大學系統—奈米
微影暨奈米生技核心設施
(清華大學奈米科技研究中
心)
奈米科學尖端研究設施
之建構
(中研院)
N
T
H
U
奈米共同實驗室
(工研院)
東部奈米科技研究中心
(東華大學)
台灣聯合大學系統奈米製作
暨分析核心設施中心
(交通大學電子工程學系)
中台灣奈米技術科學
與工程核心設施
(中正、中興、彰師大、
雲科大)
南台灣奈米科技研究中心
核心設施建置
(成功大學)
高屏地區奈米共用實
驗室
(中山大學奈米中心)
(四)人才培育計畫
K-12 Project
 Establish study meetings on
Nanotechnology for teachers
 Develop K-12 electronic newsletter on
Nanotechnology
 Hold Nanotechnology lectures which
are open to the public
 Establish an internal information
exchange website for K-12
Nanotechnology Committee
http://k12.nbm.ntu.edu.tw
 Develop five regional K-12 personnel
incubation centers
Regional Nanotechnology
Personnel Development
Center Project
 Establish five regional
nanotechnology personnel
development centers
 Full spectrum personnel incubation
courses, focus on universities and
post-graduate programs
 Assist Industrial Nanotechnology
personnel needs through on-the-job
training (OJT)
 Help K-12 Project
 Book publications
Nanotechnology Talent Bank Establishment & Support
http://nano-expert.ntu.edu.tw/
New nanotech teaching materials - Nana and Nono
Popular science books were produced by seed teachers to introduce
nanotechnology to high-school students as well as the general public.
Nano-Chemistry
Nano-Biology
Nano-Physics
國際上對奈米科技之投入
單位：百萬美元
國家/區域
西歐
1997
1998
1999
126
151
179
2000 2001
200
~225
德國
(百 萬 歐 元 )
2002
2003
2004 2005(e)
~650
~900
(238.1) (256.9)
(293.1)
~400
日本
120
135
157
245
~465
~720
~800
~900
美國
116
190
255
270
464
697
862
960
其他
70
83
96
110
~380
~550
~800
~900
78
89
3112
3660
台灣
總計
432
559
687
825 1535
2367
(% of 1997) (100% )(129% )(159% )(191% )(355% )(547% )(720% ) (847% )
資料來源: 工研院奈米中心彙整 (Mar. 2005)
(298.3)
1,081
81
Global Statistics
• Global market for nanotechnology products in 2015:
$1 trillion*
• Global workforce in nanotechnology industries
(includes U.S.) in 2018: 2 million*
• Estimated companies active in nanotechnology
research (worldwide) in 2004: 900**
• Global number of researchers working in
nanotechnology (includes U.S.) in 2003:
20,000***
*Source: National Science Foundation
**Source: Plunkett Research
***Source: National Nanotechnology Initiative
國際上2005年之民間投資將超過政府
2004 年：86 億美元，包括私人企業、政府、大學和其他來源
政府投資(46 億美元)
美國
亞洲
歐洲
私人企業投資(38 億美元)
16 億美元(35%)
16 億美元(35%)
13 億美元(28%)
17 億美元(46%)
14 億美元(36%)
6.5 億美元(17%)
Activity shifts from basic research to applications
development!
資料來源: The Nanotech Report 2004TM, Lux Research Inc.
Is this a fad?
It all began with Clinton:
Title: National Nanotechnology Initiative: Leading to the Next Industrial Revolution
(NNI)
THE WHITE HOUSE
February 7, 2000
MEMBERS OF CONGRESS:
I am pleased to forward with this letter National Nanotechnology Initiative: Leading
to the Next Industrial Revolution, a report prepared by the Interagency Working
Group on Nanoscience, Engineering and Technology (IWGN) of the National
Science and Technology Council’s Committee on Technology. This report
supplements the President’s FY 2001 budget request and highlights the
nanotechnology funding mechanisms developed for this new initiative, as well as
the funding allocations by each participating Federal agency.
The President is making the National Nanotechnology Initiative (NNI) a top
priority. ….
奈米科技的起源
1996-1998年間,以美國NSF為主要贊
助者,由World Technology Evaluation
Center (WTEC)出面組織的委員對奈
米尺度下之可能的科技作了仔細的評
估
結論是奈米科技極具潛力,發展它有可
能有重要且影響廣泛的技術突破..
物理學家很早就注意到奈米…
•4th Century, Roman glassmaker: the color of glasses can be
changed by mixing in metal particles
•1883, Films containing silver halides for photography were
invented by George Eastman, founder of Kodak
•1908, Gustay Mie first provided the explanation of the size
dependence of color
•1950-1960, small metal particles were investigated by physicists
•1957, Ralph Landauer realized the importance of quantum
mechanics plays in devices with small scales
•Before 1997 => mesoscopic (or low dimensional) physics:
quantum dots, wells, wires…are known already
NCTS started a mesoscopic physics program in 1998!
奈米與生物的尺度關係圖
紅血球
~5 微米
DNA
蛋白質
~ 奈米
單一分子
約 1 奈米
藻類
30 微米
細菌
1 m
米
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
電晶體
線寬度 0.12 微米
半導體奈米粒子
(硒化鎘)
5 奈米
奈米尺度之記憶元件
1012 位元/cm2 (1Tbit/cm2)
IC 中的銅線寬度
~ 0.2 微米
IBM 筆記型電腦 750TM
微處理器
7.56 毫米×8.799 毫米
6.35×106電晶體
Peter Silverman,
Intel, July, 2001
Y.Borodovsky,
Intel, April, 2002
in PMJ 2002
Generalizations of Moore’s Law
Price per Transistor in MPU ($)
Exponenti
al trends in:
1
'69
 More
functions*
per chip
10
 Increased
performan
ce
10
 Reduced
energy per
operation
10
'74
'79
'84
'89
'94
'99
'04
-2
-4
-6
Dollars to Microcents:
Source: DataQuest, Intel
 Decreased
到底會發生??事
預估以現行的半導體技術
縮小的速度,在2015左右,
device大小達10nm以下.
電子的波動性不可再被忽
略…
Refs.
•Fowler, Physics Today
Oct. 50-54(1997)
•Glattii, Nature 393, 516(1998)
跨領域最小單位逐漸重疊
電機工程
生物
奈米
材料
Merging of frontiers of sciences and
technology (1 nm to 100nm)
• Chemistry --- larger molecules
• Material science --- clusters, wires, tubes are different
from bulk
• Physics --- low dimensional systems, soft materials,
complex systems
• Biology --- DNA, proteins, ..
• Medical sciences --- custom specific and targeted drugs,
measure smaller and smaller tumors, ..
• Engineers --- MEMS to NEMS, the end of Moore’s laws
and miniaturizing..
• Society demands --- less materials and energy
consumption, less polution.. But not less functions
emerging of new tools:
• STM, AFM , …
• 3rd, 4th.. generation of synchrotron
sources
• HRTEM, STEM, ..
• Finer and finer lithography
• Higher and higher intensity lasers ..
What is the role of physics ? – some
observation
Physics: the study of natural or material world and
phenomena; natural philosophy --- Yahoo dictionary
Folklore: 20th century is the century of physics.
21st century is the century of life science.
--- imply: physics will become less and less
important, less funding, less opportunity?
From the development of Nano, several
observation :
• Physicists played pivotal roles in this field
• Physics becomes even more important
• Physicists must broaden its knowledge in other
areas
• Understanding soft matter and its interaction
with hard matter becomes very important
Physics seems to be moving toward two
opposite directions:
1.
strings, cosmology, black holes, galaxies, etc..
--- more isolated from other disciplines and everyday
life;
--- impact of physics will become smaller and smaller ,
a pessimistic view
2. Condensed-matter, atomic and molecular, optical,
plasma physics, biophysics, nano..
--- traditional boundaries between different physics sub
areas and between physics and other disciplines are
vanishing;
--- physics becomes more important in other disciplines;
all disciplines require deeper training in physics and
help from physicists, an optimistic view
21st century could be the end of biology
as we now know it!
The future of physics – my own view
• The merging of sciences is inevitable.
• Just as before physics will be crucial in the
development of new sciences.
• Actually, physics and mathematics must be
emphasized more in the undergraduate studies
of all disciplines.
• The graduate programs in physics should be
carefully examined to meet the new challenges.
• The future of physics is as bright as ever before!
Thank you for your attention!
奈米粒子靜電影印術
連接Bottom-Up及Top-Down關鍵性奈米技術之方法
國立清華大學物理系果尚志教授之計畫中已發展出一種利用靜電力顯微鏡
之局部電荷注入法(空間解析度可達 30 nm)，可以在具有極長電荷儲存時
間之駐電體表面上製作出任意形狀之帶電結構，並可利用此種奈米級靜電
結構選擇性吸附奈米粒子(金屬及半導體的核殼式奈米粒子)
Gordon Moore made his famous observation in 1965, just four years after the first planar integrated circuit was
discovered. The press called it "Moore's Law" and the name has stuck. In his original paper, Moore observed an
exponential growth in the number of transistors per integrated circuit and predicted that this trend would
continue. Through Intel's relentless technology advances, Moore's Law, the doubling of transistors every couple
of years, has been maintained, and still holds true today. Intel expects that it will continue at least through the
end of this decade. The mission of Intel's technology development team is to continue to break down barriers to
Moore's Law.
Ref : http://www.intel.com/research/silicon/mooreslaw.htm
研究介紹
目前，以膠體溶液法(colloidal solution)製成
之奈米粒子具有大小、形狀均勻及表面可功能化
的特性，並擁有可大量生產之潛力，是現今奈米
科技中之基盤材料及組成要件，本研究之主要目
標是以靜電微影方式製成奈米級靜電圖案並在膠
體溶液中完成奈米粒子之控制式自組裝
（controlled self assembly），此種靜電力控
制之奈米粒子自組裝方法類似於傳統之靜電影印
技術（xerography），但是空間之解析度可提高
3000倍以上（30奈米v.s.100微米）。
本項技術之特色
•高解析度：以5奈米之金奈米粒子組裝可達
30奈米之線寬）
•高寫入速度：靜電圖案之寫入速度可達每
秒4釐米(4 mm/sec)
•可重覆抹寫
•超長電荷儲存時間
•可在液態環境中工作
•有大面積化潛力：scalable至公分級
Writing speed:20µm/s
Sample bias:4.0V
Area:5µm2
Writing speed:20µm/s
Sample bias: -4.5V
Area: :5µm2
High Speed Writing:
~3.8 mm/sec
Bias:
10-V-amplitude 20 kHz
sine wave
Inject charge on surface
Remove residue solvent
Dip in QD solvent for ~ 10 s
應用領域
• 奈米電子學(電子鼻、單電子電晶體陣列等)
• 高控制性(大小、位置、結構)奈米材料之成
長 (nanoparticles, nanorods, nanowires)
• 生醫檢測(DNA、蛋白質、病毒生醫晶片)
• 奈米粒子自組装技術之模板(templates)
觀察、操控及量測記憶奈米分子在活體果蠅腦內的活動
國立清華大學生技所江安世教授團隊
Ann-Shyn Chiang et al.
Memory circuit.
Curr. Biol. (2004) 14, 263-272.
Alzheimer Flies Show Brain
Neurodegeneration
To improve life quality by
enhancement of memory
formation.
Aβ42/3d
Aβ42/14d
Aβ42/30d
Aβ42/45d
Aβ42/45d
To maintain normal brain
function by preventing
neurodegeneration or
induction of neural
regeneration.
Aβ42/45d
Ann-Shyn Chiang et al.
Aβ40/45d
Aβ40/45d
PNAS (2004) 101, 6623-6628.
臺大顯微技術與奈米分析中心
200kV FEI Tecnai F20 掃描穿透式電子顯微鏡 (STEM)
尖端設備
一流環境
台大凝態科學中心陳正弦主任
200kV 掃描穿透式電子顯微鏡特性及功能
1.超高解析掃描穿透電子顯微鏡解析度 (< 0.20 nm )
2.原子數 (Z)-對比超高解析原子影像
3.超高解析單色器電子能量損失能譜 (Electron EnergyLoss Spectroscopy -- EELS) 解析度 (< 0.2 eV )
4.勞倫茲磁性電子顯微術 (Lorentz Microscopy)
5.電子全像術 (Electron Holography)
6.電子三維影像建構術 (Electron Tomography)
7.X光能量散佈儀 (EDS) -- 化學成份分析
8.試片控制溫度範圍 (20 K ~ 1300 K)
BN K-edge 電子能態結構
原子數(Z)-對比超高解析原子影像
SrTiO3
Ti
Sr
電子能量損失能譜解析度
0.14 eV
(四)人才培育計畫
1. 推動奈米科學與工程技術等跨領域學程
2. 加強基礎科學教育（幼稚園至高中）
3. 促進國際合作與人員交流
4. 聘用海外人才
5. 促進學術與產業間之研發合作及人員交流