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物質結構與鍊金術——阿宅物理(3)

科學大抖宅_96
・2015/10/13 ・3419字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

先前,人稱(?)物理界蔡頭的大抖宅,向大家介紹了反物質的箇中奧妙,卻也帶出讓人困惑的問題:為何宇宙中的反物質這麼稀少?物理學家因此提出許多理論,試圖揭開這個謎底。

然而,組成物質與反物質的粒子其實相當多樣,特性亦不相同;於是,物質比反物質多的現象,也可能隨著粒子種類的區分而有不同因素,如果不追根究柢,就太辜負了阿宅的熱血!大家是否如鋼之鍊金術師愛德華‧愛力克[1]一樣,準備好探求物質的原理了呢?Go!

<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)

根據西方鍊金術的古老傳說,只要拔到獅子的鬃毛擁有賢者之石,就能將普通的金屬鍊成黃金;而在<鋼之鍊金術師>裡,「等價交換」是最基本的法則,主角愛德華‧愛力克是這麼說明的:「如果要得到某樣東西,就必須要付出同等的代價。」依現代化學理論而言,我們可以將等價交換法則理解為原子不滅定律與質量守恆定律,亦即:化學反應只是讓物質中的原子重新排列、組合,反應前後原子種類及數目不會改變,總質量也不會改變[2]

source:wallpapersis
source:wallpapersis

於是,說到底,要從沒有黃金成份的物質鍊出黃金是不可能的事,就算你有賢者之石也一樣(雖然它在許多電玩遊戲裡很好用)——因為金原子不會憑空出現,也無法由化學反應合成。但即使我們沒辦法真的鍊金,從碳製造鑽石倒是可能的:鑽石是由碳原子組成的特定結構,只要符合某些條件,我們就可以用碳合成出鑽石

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<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)

「可是瑞凡,[3]」各位或許要問了:「原子到底是什麼呢?」如中學理化課所教,所有物體都是由原子構成的;原子又包含了原子核,以及環繞其外的電子。若以簡單的圖像表示,近似於:

原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)
原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)

位於中心的原子核,由質子(以紅色表示)與中子(以藍色表示)組成;電子則繞著原子核運行(不過必須注意的是,圖裡的顏色僅為區分之用,不代表真實顏色;電子的軌跡也不是圖中所畫這麼簡單)。原子核實際上只佔了原子中心極極極~微小的區域。通常,我們說原子的直徑約為10-10公尺(0.1奈米),原子核的直徑則大約是原子的萬分之一強。也就是說,如果原子核跟我們人類一樣大的話,那麼整個原子的大小就是圍繞你周圍十多公里遠的範疇[4]

電子是人類最熟悉的基本粒子之一,我們日常生活用到的電,都是藉由電子來輸送。因電子帶負電,為了方便,我們將其電荷定為 -1單位。同時,電子還有個結拜夥伴,稱為電子中微子(electron neutrino),顧名思義,是電中性的微小粒子。[5]這一對換帖的,我們歸類為輕子(lepton)第一代(first generation)。再者,我們有渺子[6](muon)和渺子中微子(muon neutrino)結成的輕子第二代;與濤子[7](tau)和濤子中微子(tau neutrino)搭配的輕子第三代。

這所謂第幾代,是以電子、渺子和濤子的發現順序來分,並無輩分大小——就像火影的初代目到七代目,[8]是以擔任時間來排序,不見得都有血緣關係。渺子、濤子與電子雷同,均帶 -1 單位電荷,但是質量較大,可看做威力加強版的電子。不過,因為渺子和濤子壽命極短、稍縱即逝,所以幾乎只能在實驗裡看到。

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中微子

質子和中子也是我們很熟悉的粒子,它們組成了原子核。實際上,質子和中子都是由更基本的粒子(稱為夸克)所構成的。夸克跟輕子類似,兩兩一夥共三代,分別為第一代的上夸克(up)、下夸克(down),第二代的魅夸克(charm)、奇夸克(strange),和第三代的頂夸克(top)、底夸克(bottom)——這邊的配對順序很重要,就像<火影忍者>裡佐助X鳴人(攻受不可逆)一樣;其中,前者的上、魅、頂各帶 +2/3 單位電荷,而後者的下、奇、底各帶 -1/3 單位電荷。

兩個上夸克加一個下夸克構成了質子,帶 +1 單位電荷;一個上夸克加兩個下夸克構成中子,並且不帶電。像質子與中子這般由三個夸克組成的粒子,我們都歸類為重子(baryon)。同時,雖然有許多其他重子,但它們跟渺子、濤子一樣,無法穩定存在於自然界中。

fferfe

到此,我們似乎開始看出端倪了:所有物體都是由原子構成,而其中原子核裡的質子和中子屬於(夸克組成的)重子;外圍的電子則屬於輕子——所謂的原子其實包含了兩種不同類別的粒子。這也是為什麼上篇文章提及,科學家要把宇宙的發展中,產生物質多於反物質的過程,分別稱為重子始源(baryogenesis)與輕子始源(leptogenesis)。另外,剛剛提到的所有粒子,都有相對應的反粒子。[9]

在了解原子的結構之後,讓我們回到開頭的話題:要像愛德華‧愛力克那般鍊成黃金是否終究沒指望,只能洗洗睡了呢?等一下!既然化學反應無法製造金原子,那麼物理反應呢?所有原子核都是由質子和中子組成的,相異元素的原子核之間,區別在於質子數目的多寡不同。[10]

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自由操縱質子、中子,以重組金原子核,是否可行?原則上,這件事大概或許也許不是不可能,但當下現實世界的地球人卻並不擁有這樣的技術,<空想科學讀本>已有詳細的分析,於此就不再贅述。總而言之,要無中生有鍊出黃金在目前仍然是超越人類能力的事情,雖然很遺憾,但也無可奈何就像大抖宅買了票要聽 Bon Jovi 邦喬飛在台灣睽違二十年的開唱,演出卻因杜鵑颱風取消一樣幹

<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)

然而,前一回留下的(重子始源與輕子始源)分類問題,現在只回答了一半。我們知道原子核裡的中子和質子,與環繞其外的電子分屬不同類別了(重子與輕子兩類),但它們除了名稱不同外又有什麼本質上的差異呢?分成同一類難道就不行?你有想過這個嗎?沒有。因為你只會想到你自己。電子又為什麼要跟中微子配對?莫非有什麼不可告人的特殊關係嗎?緊張緊張緊張!危險危險危險!刺激刺激刺激!欲知如何,下回請繼續收看阿宅物理第四話!

註解:

  • [1] 請參照漫畫<鋼之鍊金術師>。愛德華‧愛力克為該作主角。
  • [2] 此處所述僅就化學領域而言。
  • [3] 電視劇<犀利人妻>的經典台詞。
  • [4] 原子其實沒有固定的邊界,所以也並沒有確定的大小。這邊說的原子直徑是以測量相鄰原子之間的距離來定的。又,關於原子核只佔原子中心很小部份體積一事,可延伸參考中學時所教的拉塞福(Ernest Rutherford)散射實驗。
  • [5] 中微子又翻譯做微中子,然而為了避免與中子產生混淆,這邊均使用中微子的名稱。今年(2015)的諾貝爾物理獎便與中微子相關,之後會另有專文介紹其性質。
  • [6] 有時亦翻譯成緲子。
  • [7] 有時亦做陶子(不是跟李李仁結婚那位)。
  • [8] 請參照漫畫<火影忍者>。
  • [9] 所有粒子都有對應的(質量相等但電荷相反的)反粒子;然而有些粒子會是自己的反粒子。反粒子組成的物質就稱為反物質。詳情請參閱系列前兩篇文章。
  • [10] 換句話說,當兩個不同原子核裡質子數目相同,我們就稱此二者是同一元素。至於中子的數量呢?請查詢同位素(isotope)一詞。

參考資料:

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  1. David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, 2nd edition
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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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通向未來的原子薄膜:二維材料
顯微觀點_96
・2025/09/02 ・4123字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文轉載自顯微觀點

在古典科學觀念中,材料在物理學上的內含性質(intensive property)就如同它們的指紋,足以辨識材料成分的身分、本質,不會因材料大小、形狀而改變。但是 21 世紀的科學家卻發現,將材料剝離分解到無法更薄、僅剩 1 層原子厚的二維平面,竟會出現超導體、超流體、活躍強健的激子等奇特現象,與原本的物理性質大異其趣。

這種新興的「二維材料(2-dimensional materials)」物理不僅召喚著科學家的濃厚好奇心,也具備科技創新的潛力。要探究二維材料這些超越既有材料科學認知的神祕特性,就要從量子世界中的電子行為「能帶理論」談起。

決定材料性質的電子能帶

能帶理論(Energy Band Theory)是以高低不同的「能量帶」空間觀念,對晶體中的電子行為進行解讀:電子平時處於能量較低的價電子帶(亦稱價帶,covalence band)。此能帶的電子受到原子核束縛,不能自由運動,且許多電子塞滿其中,沒有流動空間,因此價帶中的電子不能導電。

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若從外來光子獲得足夠能量,電子會躍升到傳導帶(亦稱導帶, conduction band),在此空間充沛的能帶,電子能夠自由移動,在外部電場的作用下形成電流、展現出導電性。

電子能帶中的「能隙」大小,左右著電子躍升導帶的難易,也決定了材料的導電性。

導帶、價帶之間的能量帶稱為「能隙(band gap)」,是電子無法停留的能帶位階,不同種類晶體的能隙大小不同,電子由價帶升往導帶的難易度因此相異。若價帶電子得到的外來能量並未超過能隙大小,就沒辦法升往導帶。

金屬晶體具有極小的能隙,某些金屬的導帶與價帶甚至重疊,因此電子可以輕易進入導帶,展現出良好導電性。而絕緣體的能隙極大,電子難以躍升到導帶,因此困在價帶,無法導電。半導體介於金屬與絕緣體之間,在適當的能量激發或能隙調整下,就能展現導電性,人類得以調控電訊號。

備受眾望的石墨烯,終究因為其沒有電子能隙、導電性過佳,難以成為實用的半導體材料。但是另一種二維材料:過渡金屬二硫族化物(Transition Metal Dichalcogenides, TMD)卻展現出了可調控的導電性,讓半導體產業界的希望之火繼續燃燒,也為物理學界展開寬闊的未知境地。

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未來的超級材料:TMD

TMD二維材料的大型原子之間具有原子核、電子的相互作用,產生一般材料罕見的超導特性與巨磁阻,成為具備高潛力的半導體材料。從上方觀察,TMD如石墨烯一般形成六角形晶格平面,但從側面看,會發現上下兩層硫族原子將金屬原子夾在中央,猶如一個原子三明治。

單層的 TMD 結構,從側面看到三層原子面(a),從上方看則有類似石墨烯的六角形晶體(b)。Source: Wikipedia

在TMD的原子三明治菜單上,二碲化鎢(WTe2)、二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)、二硒化鉬(MoSe2)、二硒化鎢(WSe2)等,都是極具潛力的二維層狀半導體材料。

這些潛力TMD與石墨烯相似的不僅是晶格排列模式,同時它們也具有強力的層內共價鍵與薄弱的層間凡德瓦力,這種力量分配讓它們更容易剝離成單層結構。相較之下,其他材料(例如純金屬)通常具備延伸共價鍵或金屬鍵,材料塊不容易層層剝落、難以形成單層二維材料。

TMD 單層分子平面成形之後,電子能帶結構會從原本的間接能隙轉變為直接能隙,使互相吸引的導帶電子與價帶電洞(即為激子)結合時直接放出光子。在間接能隙結構中,激子結合的能量會轉換為熱能,不利於能量或訊號傳輸。單層 TMD 的直接能隙則讓它們在光照之下,可以透過電子活動而激發出螢光,成為光致發光(photoluminescene)的良好材料。

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硒化鍺(GeSe)與硒化錫(SnSe)的二維材料形成異質結構,並以石墨烯為基板,展現出不同的物理特性。電子便在此有限的空間架構中,展現出異於常態的行為。

矽或鍺等等電子元件常見材料,在二維狀態下依然保持間接能隙,能量會化為熱能,不會轉換為光。因此 TMD 二維材料取代傳統材料,成為產業界創新光電材料的希望所在。

透過顯微操作,科學家更利用 TMD 的層間凡德瓦力,將不同的 TMD 二維材料疊合、錯位,形成異質結構(Heterostructures),透過材料堆疊位置調整電子能帶,產生如超導體或莫特絕緣體等特殊物理現象。就像在玩奈米尺度的樂高積木,只是成果比樂高更令人驚奇。電子在異質結構中產生的新奇行動模式,有機會應用在量子計算、奈米元件等領域。

此外,TMD 二維材料本質上比石墨烯更加特殊之處,是其中的金屬原子質量較重,導致更強的電子自旋-軌道耦合(Spin-Orbit Coupling, SOC)效應,於是 TMD 在 2 個電子能谷(Energy Valleys)中表現不同的電子特性,使科學家能夠操縱電子的「谷自由度」來進行訊號傳輸(類似1與0的二進位訊號)。

透過不同於傳統半導體的超導、絕緣、谷電子學性質,TMD 二維材料可以提供極快速、低耗能的訊號調控與傳導,在小於奈米的空間中,也能保持訊號精確。此外,由於激子的活動現象,二維材料也更有機會實現利用光子傳輸訊號的計算機元件。

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在家裡研究量子物理

提及激子的研究方法,台灣大學人工低維量子材料物理實驗室(Quantum Physics of Artificial Low-dimensional Materials Lab, 又稱 QPALM 實驗室)主持人陳劭宇解釋,雖然量子力學被多數人視為難以捉摸的神秘領域,但製作二維材料的方法卻可以非常貼近日常生活。

陳劭宇副研究員除了專精於二維材料的實驗設計與操作,也積極推廣二維材料物理的知識與重要性。攝影:楊雅棠

陳劭宇說,「我們實驗室最常用來製作二維材料的工具,你一定也用過,就是有名的 Scotch Tape 法。」

Scotch Tape 法又稱機械剝離法(exfoliation):使用膠帶黏住小塊材料,材塊對面再以膠帶黏貼,接著將兩側膠帶撕開,就會將材料一分為二。如此反覆黏撕,最後出現極為單薄的單層二維材料。這也是當年海姆(A. Geim)與諾沃蕭洛夫(S. Novoselov)將石墨塊製作成單層石墨烯、邁向 2010 年諾貝爾物理學獎的方法。陳劭宇團隊則更進一步,對各種材料塊採用不同的膠帶,以得到最佳的剝離效果。

若你在生活百貨結帳時遇見購買各式膠帶的顧客,除了封箱收納,他也可能是位準備動手研究量子物理的科學家。

得到單層材料之後,科學家透過顯微操作將其放上六方氮硼(h-BN)等基材,再加熱使膠帶與二維材料分離。材料與操作方法相當平易近人,卻可以結合顯微觀察、拉曼光譜等方法從中測得奇妙的量子物理現象。

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QPALM 實驗室的研究生正在利用膠帶製造二維材料。攝影:楊雅棠

陳劭宇回憶道,「這是可以自己『在家動手做』的物理研究,在 COVID-19 疫情嚴峻隔離的時候,我們輪班工作、不能持續待在實驗室。只好自己組裝一台顯微鏡,用不同的光線觀察二維材料,竟因此發現某些材料在特定顏色光照射下,才有辦法清晰觀測。」

這個發現雖然尚未發表,但也成為他的實驗秘技之一。而當時「在家動手做量子物理」的研究過程也錄製成影片,作為疫情期間透過網路推廣科學的素材。

在二維材料研究中,材料層數是最重要的數字,而光學顯微鏡就在材料層被剝離後,擔任檢驗的工具。陳劭宇說,不同的材料有各自適合的顯微觀察方式,從常見的穿透光、反射到微分干涉(DIC)顯微術都是他會採用的方法。

確認材料層數之後,便能以光、電與材料互動,或是疊合異質材料,並以顯微鏡或拉曼光譜儀觀測,針對觀測結果進行運算,實驗人員可以得知二維材料的激子束縛能、能量轉換、導電性等物理特質。

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例如,因為二維材料的層間空間極小,因此受到激發的電子可能移動到相鄰的異質材料層,而其相應的電洞還停留在原本材料層,電子與電洞在不同材料層互相吸引,形成奇妙的跨層激子(interlayer excitons),產生新穎的電學、光學、磁學現象。

陳邵宇舉例,暗激子的超流體狀態就是其中一種神奇現象。他說,「超導體的節能來自於傳輸電荷時不耗能,而超流體則是粒子移動時不耗能。若能控制超流體狀態的激子,我們就能得到超級節能的元件。」

陳劭宇闡明,超流激子在理論上已被預測,但還沒有人在實驗中成功操縱這項性質。他表示,控制超流激子是物理學界共有的、也是他個人追求的遠大目標之一。二維材料中包含超流體、高效率光電轉換等特質,為未來科技開創了廣大的可能。在陳劭宇等物理學家的持續投入下,我們有機會親眼見到他們利用輕於鴻毛的二維材料,實現宏大的未來科技。

(更多深入淺出的二維材料知識,請看降維展開新宇宙:陳劭宇和激子物理

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參考資料

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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探索自然知識的先行者:古希臘哲學家如何看待萬物的基本組成?——《世界史是由化學寫成的》
圓神出版‧書是活的_96
・2023/05/15 ・1970字 ・閱讀時間約 4 分鐘

古希臘哲學家中,不乏能精準測量天體位置的人,還有能運用幾何學知識來丈量土地的人。儘管他們尚未發展出「實驗」這項科學方法,但相對的,他們非常仔細觀察自然界發生的變化,並思考形形色色的問題,成為自然界和社會的知識探索者。

萬物皆由水組成

古希臘最早深入探索「萬物根源」的人是泰利斯(Thales)。他是個生意做很大的貿易商,曾搭船經由地中海,到埃及推銷橄欖油,是個見多識廣的人。

某天,泰利斯開始萌生疑惑:

世界上有數之不盡的萬象事物,都是由物質所構成的,而且物質的變化方式多得令人驚奇。雖說物質會不斷變化,卻並非無中生有,存在的東西也不可能完全消失;由此可知,物質是不生不滅的。無數物質不斷變化,但為什麼大家都是不生不滅的?

古希臘哲學家泰利斯(Thales of Miletus)。圖/wikipedia

泰利斯認為,所有物質必然是由唯一的「本原」所組成的,而他得到的答案就是水:

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水遇冷後凝結成冰,加溫之後就會恢復原狀;溫度繼續升高的水會成為水蒸氣,再冷卻後又會形成水滴。河川、海洋和地表的水,都會變成水蒸氣上升到空中、形成雲朵,雲又會降水成為雨和雪。水能如此千變萬化,不論怎麼變也不會消失殆盡。話說回來,金屬的變化、生物形體的變化,不也都和水一樣嗎?

泰利斯推論,這些物質的型態和外形不論再怎麼變化,也不會完全消失,應該是因為所有物質都是由某個「本原」所組成的——不論構成的是金屬或生物。

後來泰利斯便把構成所有物質的「本原」命名為「水」。

值得注意的是,泰利斯所說的「水」,並不是指現代科學做為研究對象、做為物質的水,而是將變化不歇、變換型態後生成其他物質,並能再度回歸原初型態的萬物本原稱為「水」而已。這種思考的背景,可能來自於他曾到東方旅行,聽聞流傳在美索不達米亞的世界起源傳說、得知其故事中心就是「水」,才深受影響。

泰利斯的「水」,促使眾多學者開始思考萬物的「本原」(元素)為何。有人認為本原是「空氣」,經過壓縮和稀釋,分別形成水、土和火,進一步創造了自然界;也有人認為本原就是「火」,並將自然界比喻為「燃起、消失,無時無刻都在活動的火」。

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微粒組成萬物

對於「萬物根源」是什麼的問題,德謨克利特(Democritus)提出了名為「原子論」的主張。

和泰利斯一樣,德謨克利特曾周遊地中海沿岸,徒步觀察風土、歷史和文化迥異的各個國家裡,有什麼樣的自然環境與人民,並學習各國的學問和技術。他認為,創造萬物的「本原」存在於無數微粒中,而且這一顆顆粒子永遠不會毀滅。他將這些無法再分解得更小的微粒,以希臘語中意指「不可分割之物」「atomos」(原子)來命名。

德謨克利特還思考了另一項觀點,也就是「虛空」(什麼都沒有的空間),若改用現代科學的用語來說,就是「真空」。因為原子會占據空間、四處活動,所以必須要有提供給原子活動的「虛空」。

簡單來說,德謨克利特的原子論就是「萬物是由原子和真空所構成的,除此之外別無其他」。

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古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)。圖/wikipedia

德謨克利特認為,無數原子在除了原子以外什麼都沒有的空間裡,激烈且毫不停歇地四處活動,互相撞擊、形成漩渦。有的原子雖然會和其他原子相連成一團,但這團東西總有一天會分解,恢復成原本四散的原子。只要改變原子的排列方式和組合,就能製造出不同種類的物質。萬物是藉由原子的組合而形成,就連火、氣、水、土也不例外。

據說德謨克利特寫了一系列共七十多部鉅著,但沒有一本流傳下來。由於他大膽主張,人類的靈魂也是由輕盈、活潑好動的原子組成,不會遵從神的指示,而是跟隨控制原子運動的自然定律;只要構成人類肉體的原子瓦解分散,人類的靈魂就會消失。也就是說,神並不存在。他因此遭到統治階層指控「試圖抹滅神的存在」,並飽受攻擊,與他有關的書籍全數遭到銷毀。我們之所以能認識德謨克利特的事蹟,主要是由於反對原子論的哲學家們,將他的思想記錄在自己的著作之故。

——本文摘自《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》,2022 年 2 月,究竟出版,未經同意請勿轉載。

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圓神出版‧書是活的_96
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書是活的,他走來溫柔地貼近你,他不在意你在背後談論他,也不在意你劈腿好幾本。 這是一種愛吧。 圓神書活網 www.booklife.com.tw