導電高分子材料與應用
授課教師:楊偉達博士
任職單位:工研院材化所
能帶理論(英語:Electronic band structure)是用量子力學的方法研究固體內部電子運動的理論。是於20世紀初期,在量子力學確立以後發展起來的一種近似理論。它曾經定性地闡明了晶體中電子運動的普遍特點,並進而說明了導體與絕緣體、半導體的區別所在,解釋了晶體中電子的平均自由程問題。
奈米科技(英文:Nanotechnology)是一門應用科學,其目的在於研究於奈米規模時,物質和設備的設計方法、組成、特性以及應用。奈米科技是許多如生物、物理、化學等科學領域在技術上的次級分類,美國的國家奈米科技啟動計劃(National Nanotechnology Initiative)將其定義為「1至100奈米尺寸尤其是現存科技在奈米規模時的延伸」。奈米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合,並且被表面效應所掌控,如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等,而慣性和湍流等巨觀效應則小得可以被忽略掉。舉個例子,當表面積對體積的比例劇烈地增大時,開起了如催化學等以表面為主的科學新的可能性。
奈米科技 ─ 是指對於尺寸介於1nm ~ 100nm之間的物質的物性研究(奈米科學)、及對於該物質材料的製造、量測、操縱、組裝的技術(奈米技術)。微小性的持續探究以使得新的工具誕生,如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。結合如電子束微影之類的精確程序,這些設備將使我們可以精密地運作並生成奈米結構。奈米材質,不論是由上至下製成(將塊材縮至奈米尺度,主要方法是從塊材開始通過切割、蝕刻、研磨等辦法得到儘可能小的形狀(比如超精度加工,難度在於得到的微小結構必須精確)。或由下至上製成(由一顆顆原子或分子來組成較大的結構,主要辦法有化學合成,自組裝(self assembly)和定點組裝(positional assembly)。難度在於宏觀上要達到高效穩定的質量,都不只是進一步的微小化而已。物體內電子的能量量子化也開始對材質的性質有影響,稱為量子尺度效應,描述物質內電子在尺度劇減後的物理性質。這一效應不是因為尺度由巨觀變成微觀而產生的,但它確實在奈米尺度時佔了很重要的地位。物質在奈米尺度時,會和它們在巨觀時有很大的不同,例如:不透明的物質會變成透明的(銅)、惰性的物質變成可以當催化劑(鉑)、穩定的物質變得易燃(鋁)、固體在室溫下變成了液(金)、絕緣體變成了導體(矽)。
奈米材料的維度
零維:三維尺度均在奈米尺度,形狀是點狀
一維:兩個方向在奈米尺度內,其形狀是長條狀
二維:僅有一個方向在奈米的尺度內,其形狀是平面
一維:兩個方向在奈米尺度內,其形狀是長條狀
二維:僅有一個方向在奈米的尺度內,其形狀是平面
奈米的應用
奈米銅材─銅是「良導體」,奈米銅是「絕緣體」
奈米瓷材─瓷器是「易碎品」,奈米瓷器材料「在室溫下可任意彎曲」
奈米光碟─容量為普通光碟容量的「100萬倍」
顯示器─奈米顯示器「薄如紙片」,耗電量極低,可捲曲攜帶
奈米銅材─銅是「良導體」,奈米銅是「絕緣體」
奈米瓷材─瓷器是「易碎品」,奈米瓷器材料「在室溫下可任意彎曲」
奈米光碟─容量為普通光碟容量的「100萬倍」
顯示器─奈米顯示器「薄如紙片」,耗電量極低,可捲曲攜帶
石墨是一種礦物名,通常產於變質岩中,是煤或碳質岩石(或沉積物)受到區域變質作用或岩漿侵入作用形成。
石墨是元素碳的一種同素異形體,每個碳原子的週邊連結著另外三個碳原子,排列方式呈蜂巢式的多個六邊形。由於每個碳原子均會放出一個電子,那些電子能夠自由移動,因此石墨屬於導電體。石墨是其中一種最軟的礦物,不透明且觸感油膩,顏色由鐵黑到鋼鐵灰,形狀呈晶體狀、薄片狀、鱗狀、條紋狀、層狀體或散佈在變質岩中。 [1]化學性質不活潑,具有耐腐蝕性。
石墨是元素碳的一種同素異形體,每個碳原子的週邊連結著另外三個碳原子,排列方式呈蜂巢式的多個六邊形。由於每個碳原子均會放出一個電子,那些電子能夠自由移動,因此石墨屬於導電體。石墨是其中一種最軟的礦物,不透明且觸感油膩,顏色由鐵黑到鋼鐵灰,形狀呈晶體狀、薄片狀、鱗狀、條紋狀、層狀體或散佈在變質岩中。 [1]化學性質不活潑,具有耐腐蝕性。
鑽石1.碳以 sp3共價鍵鍵結的立體結構2.為電的不良導體3.鑽石非永恆,經一定時間後,將轉變成石墨,若加熱或用高能量粒子撞擊,則轉變速率加快。
奈米碳管,與金剛石、石墨、富勒烯一樣,是碳的一種同素異形體。
奈米碳管是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高解析度分析電鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的[1]。它是一種管狀的碳分子,管上每個碳原子採取SP2雜化,相互之間以碳-碳σ鍵結合起來,形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為奈米碳管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個奈米碳管的共軛π電子云。按照管子的層數不同,分為單壁奈米碳管和多壁奈米碳管。管子的半徑方向非常細,只有奈米尺度,幾萬根奈米碳管並起來也只有一根頭髮絲寬,奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。
奈米碳管不總是筆直的,局部可能出現凹凸的現象,這是由於在六邊形結構中混雜了五邊形和七邊形。出現五邊形的地方,由於張力的關係導致奈米碳管向外凸出。如果五邊形恰好出現在奈米碳管的頂端,就形成奈米碳管的封口。出現七邊形的地方奈米碳管則向內凹進。
奈米碳管是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高解析度分析電鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的[1]。它是一種管狀的碳分子,管上每個碳原子採取SP2雜化,相互之間以碳-碳σ鍵結合起來,形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為奈米碳管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個奈米碳管的共軛π電子云。按照管子的層數不同,分為單壁奈米碳管和多壁奈米碳管。管子的半徑方向非常細,只有奈米尺度,幾萬根奈米碳管並起來也只有一根頭髮絲寬,奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。
奈米碳管不總是筆直的,局部可能出現凹凸的現象,這是由於在六邊形結構中混雜了五邊形和七邊形。出現五邊形的地方,由於張力的關係導致奈米碳管向外凸出。如果五邊形恰好出現在奈米碳管的頂端,就形成奈米碳管的封口。出現七邊形的地方奈米碳管則向內凹進。
結構:由石墨捲曲而成的中空管狀結構,是一維奈米材料。
特性:質量輕,優異彈性、機械強度、熱傳導性、化學穩定性與吸附氣體能力等特性
應用:可應用於顯示器、化學感測器、奈米溫度計、燃料電池的儲氫材料、高強度複合材料等
特性:質量輕,優異彈性、機械強度、熱傳導性、化學穩定性與吸附氣體能力等特性
應用:可應用於顯示器、化學感測器、奈米溫度計、燃料電池的儲氫材料、高強度複合材料等
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