纳米统合物理及其在电子产业上的重要应用研究

文三誉研究开发有限公司张坤树责编高妍

2010年11月01日

        上世纪80年代诞生，目前正在快速崛起的纳米科学技术，是研究尺寸在0.1～100nm间的物质组成体系的新科技。研究成果显示，纳米材料具有纳米团聚现象、纳米荷电化等众多正规材料不具备的奇异特性，虽广泛应用于微电子组件、能源、环保、生物等多个领域，却难以用传统理论解释，人们对纳米的认识可谓知其然而不知其所以然。
        笔者历经两年深入研究，不仅发现了纳米吸收震波能、纳米热致电等新的特性，建立了统合性的纳米理论，揭开了纳米材料神秘面纱，而且有望将其进一步应用于电子产业。
        材料大小缩小至纳米尺寸时，表面原子的面积比率甚高。笔者认为，纳米体一旦形成，其初生表面原子因暴露于外界会出现缺少共价电子的表面残键，从而处于极不安定状态，此时亟需向外界捕捉电子，亦即初生态纳米体具有极强烈的化学还原力，因此称纳米表面残键为自由基。由于纳米表面吸着电子位于材料表面，很容易从外界吸收能量并提升其能位。当表面吸着电子所获能量到一定程度时，其能位就进入传导带，当能位超过某一数值时，即可脱离纳米材料表面成为游离状态，并遗留原位成为表面自由基，而表面自由基便又向周遭物质夺取电子并释放能量。
        根据笔者等人研究，认为纳米表面吸着电子有下列多种方式吸收能位并发生能位变化：1.光子撞击或电磁辐射引起游离作用；2.粒子撞击引起导电或游离作用；3.吸收电磁波生热作用；4.传导热和辐射热引起导电或游离作用；5.电场牵引引起导电或游离作用；6.吸收震波（超音速压力波）引起导电或游离作用，等等。
        因此，纳米材料之所以具有诸多奇异特性，均因带负电的表面吸着电子密度遽增以及容易吸收上述各种不同型态能并起能位变迁或游离化所引起。
        笔者用数学式推论得出，纳米尺寸的绝缘体不仅具有半导体特性，而且在材料颗粒较小或温度较高时可变成金属导体；只要纳米材料尺寸足够细小，即使在常温状态下，纳米表面吸着电子也会脱离表面而游离，遗留原位成为化性活泼的纳米表面自由基，发射电流，此即为纳米材料的热电效应。
        若外界电磁辐射强度大于一定数值时，纳米表面吸着电子即可吸收该辐射能而游离，而这些游离电子的浓度会随材料尺寸的缩小或电磁强度的增加而变大，且因吸着电子位于表面，电磁辐射不受阻挡，较容易与表面吸着电子直接起反应，产生光电效应。
        基于以上研究成果，笔者发现了纳米材料在电子基板散热与纳米复层薄膜太阳能发电领域的应用空间。
        为解决电脑CPU的过热难题，可在CPU Die或电子基板上蒸镀多层一定厚度的不同材质复层膜，或将粒径约4nm的纳米颗粒以高浓度分散在树脂中喷涂其上。因为纳米材料能在稍高温度下将热能有效转换成永恒辐射能，便可有效促进散热。此法不仅散热效率好，且可以大幅节省散热设备空间，堪称一种革新技术。
        太阳能属于宽带的电磁辐射，其红外线具热电效应，其余电磁辐射具光电效应，故太阳能具有使纳米材料起热电和光电效应的双重发电功能。当纳米复层膜组件受太阳辐射照射时，各复层的纳米表面吸着电子便发生游离，非金属层带负电的游离电子同金属层带正电的表面自由基起位移结合作用，从而阻止其内部反向复合，使得光热致电组件正负极上分别堆积更多的正负电荷，即可发生更大的电动势。该研究成果或可使太阳能发电的转换效率提升，为今后的氢能开发带来曙光。
        纳米材料所呈现出的种种特性，均可以纳米统合物理演绎出数学式加以说明。相关论文已被国家级纳米国际研讨会墙报征文接受，并曾在中华生命电磁科学学会年会研讨会中作论文演讲，相关技术也已获国家发明专利在案。纳米统合物理的普律性及正确性已获学术界和技术界肯定。

张坤树，三誉研究开发有限公司执行董事，中国台湾国立清华大学物理研究所理学博士。专长于爆炸科学及爆压加工、电磁波吸收材料理论及应用、生命电磁理论及电磁防护保健、统合性纳米物理及创新应用。