1、8-3 先進材料重點1.半導體重點2.液晶重點3.導電塑膠重點4.奈米尺度與奈米科技半導體 能帶理論：金屬、半導體與絕緣體的價帶與傳導帶間的能隙能隙(energy gap)大小不同。金屬間的能隙為零，絕緣體的能隙很大，半導體的能隙則介於上述兩者之間。半導體 電子須由價帶躍遷至傳導帶才能導電。價帶與傳導帶間的能隙愈大的物質導電性愈差。故導電性由佳到差依序為金屬半導體絕緣體。能帶理論 當多個金屬原子構成金屬晶體時，原子軌域會相互作用，形成新的分子軌域。電子重新依遞建原理，由低能階至高能階的順序填入分子軌域中，而形成能量帶，其中，填有電子的能量帶稱為價帶，未填有電子的能量帶稱為傳導帶。電子須由價帶躍
2、遷至傳導帶才能導電。能帶理論 以鋰金屬為例，獨立的鋰原子，其2s價軌域的能量均相同。當多個鋰原子相互靠近至原子軌域發生相互作用時，價軌域會產生分裂，形成新的分子軌域。當n個鋰原子形成金屬晶體時，其價分子軌域形成能量帶，而n個鋰原子所具有之n個價電子。能帶理論 填充於分子軌域的情形。能帶理論 金屬的價帶與傳導帶間的能隙很小，故低溫時，電子即能躍遷至傳導帶而導電。若加熱金屬，會增加電阻，而降低其導電性。半導體 導電度介於導體與絕緣體之間的物質，稱為半導體半導體。半導體的導電性會受熱、光、電、磁，或摻雜其他物質而有改變。升高半導體的溫度，可幫助電子的能量增加，由價帶躍遷至傳導帶而導電。故升高溫度可以
3、增加半導體的導電度。4A族元素矽與鍺為半導體，於其中加入適量的3A或5A族元素，可以增加導電度。p型半導體 主要組成：矽(Si)或鍺(Ge)。添加物：電子受體，如3A族的硼、鋁。原理：3A族元素比4A族元素少1個價電子，故兩者形成共價鍵時，會因缺少1個電子而產生電洞。電洞帶有正電，可增加晶體的導電度。n型半導體 主要組成：矽(Si)或鍺(Ge)。添加物：電子予體，如5A族的砷、磷。原理：5A族元素比4A族元素多1 個價電子，故兩者形成共價鍵時，會多餘1個價電子而產生自由電子。自由電子帶負電，可增加晶體導電度。p-n 接面 將p型半導體與n型半導體兩者相連接，所產生之接面稱為p-n接面。功能：整
4、流、訊號放大。應用：發光二極體發光二極體(LED)、太陽能電池。老師講解 1 能帶理論請依價帶與傳導帶的能隙大小，由大至小排列下列各物質。聚乙烯矽銅p型半導體觀念提示：價帶與傳導帶的能隙愈大的物質，導電度愈差。老師講解 1解：聚乙烯為絕緣體，價帶與傳導帶的能隙最大；銅為金屬導體，價帶與傳導帶的能隙最小；矽與p型半導體皆為半導體，但p型半導體的導電度高於矽，故p型半導體的價帶與傳導帶的能隙小於矽的價帶與傳導帶的能隙。價帶與傳導帶的能隙：學生練習 1下列何種物質的價帶與傳導帶之間的能隙最小？(A)鍺(B)硫(C)鈉(D)氯(E)添加硼的矽。解：(C)能隙：絕緣體（硫、氯）半導體（鍺、添加硼的矽）導
5、體（鈉）老師講解 2 半導體性質下列有關半導體的敘述，哪些正確？(A)半導體的導電性介於導體與絕緣體之間(B)大多數的半導體為有機物質(C)於半導體中加入電子受體，可製成n型半導體(D)升溫時，半導體的導電性增加(E)p型半導體是利用自由電子的移動來導電。觀念提示：於半導體中加入電子受體製成之p型半導體，可利用電洞的移動而導電；於半導體中加入電子予體製成之n 型半導體，可利用電子的移動而導電。老師講解 2解：(A)(D)(B)現行使用的半導體多為無機物質。(C)於半導體中加入電子受體，可製成p型半導體。(E)p型半導體是利用電洞的移動而導電。學生練習 2於矽晶體中添加下列哪些物質，可製成p型半
6、導體？(A)Ge(B)As(C)Al(D)B(E)P。解：(C)(D)於4A 族元素其中加入3A 元素（如：B、Al），可製成p型半導體。液晶 介於固態與液態之間，兼具部分固體規則性與液體流動性的物質，稱為液態晶體液態晶體，簡稱液晶。液晶分子的排列會受到溫度、電場、磁場等影響，其光學性質相當穩定。液晶分子雖無固定的位置，但仍保有分子排列的規則性。加熱固相結晶態的液晶分子，結晶會熔化瓦解，先變成乳狀具黏稠性的液晶相，再變為散亂的液相。溫度的影響 液晶分子會因電場的作用，而趨向一致性的排列。例如液晶顯示器液晶顯示器(LCD)就是利用電場控制液晶分子的排列，而改變光的明亮度。電場的影響 液晶分子多為
7、具有極性的有機分子，其常見的形狀有桿狀桿狀與盤狀盤狀兩種。液晶分子形狀 常見液晶分子的排列有向列性向列性、層列性層列性與碟狀液晶碟狀液晶三種。液晶分子的排列老師講解 3 液晶特性下列有關液晶的敘述，哪些正確？(A)大多數的液晶分子為有機物(B)形狀可為桿狀或盤狀(C)所有物質在適當的溫壓條件下都可呈現液晶態(D)液晶分子排列的方向性固定，不會受到溫度或電 場等外在因素的影響(E)需在高溫條件下才能保持液晶態。觀念提示：並非所有物質都具有液晶態。老師講解 3解：(A)(B)(C)並非所有物質都具有液晶態，大多數物質只有固、液、氣三態。(D)液晶分子的排列會受溫度和電場的影響。(E)高溫並非液晶態
8、的必要條件，所需溫度範圍須視液 晶分子的種類而定。學生練習 3下列有關液晶的敘述，哪些正確？(A)液晶分子不具有極性(B)液晶分子具流動性(C)液晶態的物質都具有黏稠性(D)液晶分子皆為長條狀分子(E)溫度愈高，液晶分子的排列愈散亂。解：(B)(C)(E)(A)液晶分子具有極性(D)液晶分子可為桿狀或盤狀老師講解 4 LED與LCD下列有關LED與LCD的敘述，哪些正確？(A)LCD為液晶顯示器的簡稱(B)LED為發光二極體的簡稱(C)LED可以通電而發光(D)LED材料之主要組成元素為矽(E)LCD材料之主要元素為碳。觀念提示：LED為發光二極體的簡稱；LCD為液晶顯示器的簡稱。老師講解 4
9、解：(A)(B)(C)(D)(E)(A)(B)LED為發光二極體的簡稱，LCD為液晶顯示器的 簡稱。(C)通電於LED，可放光。(D)LED為p-n接面二極體，主要材料為半導體，故主要 組成元素為矽。(E)LCD的主要材料為液晶態的有機分子，故主要組成 元素為碳。學生練習 4液晶顯示器(LCD)已經替代傳統的映像管電視機，成為市面上最主流的螢幕。試問，液晶顯示器是利用調整下列何種性質，以調整液晶分子的排列方向？(A)溫度(B)磁場(C)壓力(D)電場(E)光照強度。解：(D)LCD是利用改變電場來調整液晶分子的排列方向。導電塑膠 具有導電性的高分子物質，稱為導電塑膠導電塑膠。導電塑膠的聚合主鏈
10、為單鍵-雙鍵交替延續的結構，此種單鍵-雙鍵交替的鍵結，稱為共軛雙鍵共軛雙鍵。如1,3-丁二烯分子即具有共軛鍵結。導電塑膠 導電性佳、質輕、易製備、成本低、彈性佳。發光二極體發光二極體(LED)、薄膜電池、感應器與電磁屏遮等電子材料上。聚乙炔 由日本的化學家白川英樹與美國的化學家麥克笛米德、希格發現。三者也因此成就獲頒2000 年諾貝爾化學獎。以過渡金屬觸媒催化乙炔氣體的聚合反應來製備，生成聚乙炔。聚乙炔結構 聚乙炔分子中的碳原子皆為 sp2 混成。相鄰的碳原子以 sp2 軌域形成 鍵，碳原子與氫原子間則各以 sp2 與 s 軌域形成 鍵。碳原子未參與混成的 p 軌域，會形成未定域化的 鍵。具有
11、共軛鍵結。聚乙炔分子結構聚乙炔分子中電子分布摻雜鹵素或鹼金屬 使原本不帶電的聚乙炔主鏈因氧化或還原，產生帶電的自由基離子（或稱極子），而使非定域化的電子移動產生電流，而具有導電性。鹵素：I2 作為氧化劑，可氧化聚乙炔 鹼金屬：Na 作為還原劑，可還原聚乙炔老師講解 5 導電塑膠下列何種聚合物最可能經由摻雜碘的反應，而具有導電性？(A)聚苯乙烯(B)聚丙炔(C)聚1,3-丁二烯(D)聚乙烯 (E)聚丙烯腈。觀念提示：具導電性的高分子需具有單、雙鍵交錯的共軛鍵結。老師講解 5解：(B)各物質的結構如下：須具備單、雙鍵交錯之共軛鍵結的聚合物，才能藉由未定域化電子移動而具導電性。(A)(B)(C)(D
12、)(E)學生練習 5下列哪些物質常用來摻雜於聚乙炔中，以增加聚乙炔的導電度？(A)I2(B)Cu(C)Na(D)Mg(E)Hg。解：(A)(C)可摻雜鹵素或鹼金屬以提升聚乙炔的導電度。老師講解 6 乙炔與導電塑膠催化劑存在下，將乙炔分子聚合可得到聚乙炔高分子，經摻雜後，其導電度可媲美金屬。(1)此聚乙炔為加成聚合物或縮合聚合物？(2)寫出由電石（碳化鈣）製造乙炔的反應式。(3)畫出聚乙炔的結構式。（須將C與H標出）(4)在乙炔與聚乙炔中，碳原子各具有何種混成軌域？(5)乙炔的衍生物苯乙炔亦可形成具有導電性之聚苯 乙炔，寫出苯乙炔分子式。【指考】觀念提示：聚乙炔是由乙炔分子經加成聚合而得，其碳原
13、子為sp2混成。老師講解 6解：(1)加成聚合物；(2)CaC2(s)2H2O(l)Ca(OH)2(aq)C2H2(g)；(3)；(4)sp軌域，sp2軌域；(5)C8H6(1)聚合過程中無小分子釋出，為加成聚合。(4)乙炔的碳原子為sp 混成，聚乙炔的碳原子為sp2混成。(5)苯乙炔的結構式為 ，分子式為C8H6。學生練習 6下列哪些族數的元素常用於聚乙炔的摻雜程序，以提高聚乙炔的導電度？(A)1(B)13(C)15(D)17(E)18。解：(A)(D)鹼金屬（第1 族）與鹵素（第17 族）常用於聚乙炔的摻雜程序中。奈米尺度與奈米科技 奈米(nm)為長度單位，1 nm 109 m。適用表示原
14、子或分子世界的尺度，如DNA雙股螺旋的間距約為1 nm，原子的大小約為0.1 nm到數奈米。蓮花效應 水珠於蓮葉表面滾動時，會將葉面上的塵埃帶走，而使蓮花表面保持潔淨。此種蓮花表面的自我潔淨現象，稱為蓮花蓮花效應效應。蓮花葉面的奈米結構與水的接觸面很小，造成疏水作用，故水不會沾附或攤平於葉面上，而是形成水滴，可於葉面上滾動而去汙。彩蝶效應 光線照射蝴蝶的翅膀時，會呈現出繽紛的色彩。蝴蝶翅膀表面的鱗片具有許多樹枝狀的奈米結構，當光線照射於其上時，種種光線穿透與反射的現象，構成了蝴蝶翅膀繽紛的色彩。自然界的奈米結構 除了蓮花效應與彩蝶效應外，另有其他屬於自然界中的奈米結構之實例。水黽能漂浮於水面上
15、。鴨子羽毛具有防水性。奈米微粒 奈米微粒與塊材的性質差異甚大，諸如顏色、電性、磁性與化學活性等都有顯著改變。奈米粒子所含之表面原子的數目，遠多於同質量之塊材所含之表面原子的數目。又表面原子的能量與活性都高於位於內部的原子。單位質量物質所含之表面原子數愈多時，物質的性質會愈活潑。奈米微粒的實例 直徑2 nm 的奈米金粒子熔點(327)遠低於金塊材的熔點(1063)。不同大小的奈米金粒子則會呈現不同的顏色。光線通過於由奈米粒子組成的膠體溶液時，因奈米粒子的尺寸大於一般真溶液的粒子，故可散射光線而產生廷得耳效應廷得耳效應。奈米材料 組成粒子的顆粒大小分布於1100 nm 之間的材料，或是組成粒子在長
16、、寬、高三維尺度中。至少有一維在1100 nm 之間的材料，稱為奈米材料奈米材料。可儲存氣體、作為藥物載體、作為觸媒、強化複合材料。二維奈米材料 有一個維度在奈米長度範圍的材料，形狀是平面狀。例如奈米薄膜、石墨烯。一維奈米材料 有兩個維度在奈米長度範圍的材料，形狀是長條狀。例如奈米線、奈米碳管。零維奈米材料 三維尺度均在奈米長度範圍的材料，形狀是點狀。例如量子點、C60。奈米產品 奈米光觸媒：以紫外光照射奈米級的二氧二氧化鈦化鈦光觸媒，會生成電子-電洞對。其中，電子可與氧分子結合為超氧自由基陰離子(O2)，電洞則與水的氫氧根離子形成羥基自由基(OH)。O2與OH十分活潑，可再與細菌或臭味分子作
17、用，達到殺菌或除臭的效果。應用：塗料、衣料、殺菌、除臭、淨化空氣等用途。殺菌或除臭奈米產品 奈米銀製品：具抗菌性，可用於抗菌產品與生醫材料等用途。奈米碳管：可用於顯示器、電子顯微鏡探針、化學感測器、奈米溫度計等用途。老師講解 7 奈米材料奈米材料(nanomaterials)可說是當今科學最熱門的研究主題之一。以下有關奈米材料的敘述，哪幾項是正確的？(A)奈米是長度單位，1 奈米(nm)10 10 m(B)奈米結構除了尺寸小之外，往往還擁有高的(C)奈米材料組成粒子長、寬、高至少有一維在 1 100 nm 之間(D)奈米TiO2 光觸媒所產生的電洞有強氧化力(E)奈米銀粒子必須照射紫外光才有殺
18、菌能力。觀念提示：1 nm109 m表面積體積比老師講解 7解：(B)(C)(D)(A)1 奈米(nm)10 9 m。(B)奈米銀粒子是藉著產生銀離子並與細菌的蛋白質結合而殺菌，無須照射紫外光。學生練習 7下列有關奈米的相關敘述哪些正確？(A)所謂的奈米材料是指材料的長、寬、高皆介於1 100 nm 之間 (B)奈米金的催化活性高於金塊 (C)奈米二氧化鈦經照光後會分解出超氧離子和氫氧自由基，而具有殺菌作用 (D)灰塵、雨水大小也是奈米級(E)奈米碳管具導電性。解：(B)(C)(E)(A)只需一維介於1 100 nm 之間。眞奈米金的催化活性高於金塊。(B)奈米二氧化鈦經照光後會分解出超氧離子
19、和氫氧自由基，而具有殺菌作用。(D)灰塵、雨水大小遠大於奈米級。(E)奈米碳管具導電性。老師講解 8 蓮花效應蓮花能出淤泥而不染是葉子表面經常保持潔淨，此現象稱為蓮花效應。下列關於蓮花效應的敘述，何者正確？(A)蓮葉表面有許多突起的奈米結構(B)水分在蓮葉上會攤開為一片，故可潔淨大面積的蓮葉(C)蓮葉表面具有親水性(D)蓮葉表面與水的接觸面很小(E)奈米塗料與蓮葉一樣具有自潔淨的效用。觀念提示：蓮葉表面的奈米結構使其與水的接觸面很小，具有疏水性。老師講解 8解：(A)(D)(E)(B)水與蓮葉的接觸面很小，水會形成水滴。(C)蓮葉表面具有疏水性。學生練習 8下列哪些現象與奈米結構有關？(A)水黽能漂浮於水面上(B)蓮花效應(C)彩蝶效應(D)鴨子羽毛能防水(E)壁虎腳能攀爬牆面。解：(A)(B)(C)(D)(E)實驗十 奈米硫粒的合成WORD檔：課本習題第八章WORD檔：相關大考試題第八章 第第8章目錄章目錄結束放映
