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NANO COMMUNICATIONS
國家奈米元件實驗室
National Nano Device Laboratories
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2007.10 ........
奈米通訊
目錄
NANO COMMUNICATIONS
編者的話
2 楊裕雄
主題文章
3 漫談生物分子感測器柯富祥
10 奈米碳管元件在液態環境中的感測行為呂明霈
15 有機薄膜電晶體在氣體感測及生物感測器上的應用
冉曉雯、顏國錫、羅淵仁
22 互補式金氧半導體晶片於生物醫學之應用
江漢平、張文穎、蔡昆熹、林明瑜、林俐如
自組裝單層膜(SAM) 技術在新生物晶片上的發展
27
張哲魁、葛威成、張正宏、陳惠民
光電技術在奈米生物科技的應用：利用雷射鑷夾與原子力顯微鏡研究
32
第三型線毛的機械特性
陳豐榮、古孟晏、蘇益志、詹佳翰、黃盈蓉、許根玉、劉承賢、游萃蓉、張晃猷、彭慧
玲、徐琅
奈米壓印技術在生物科技上的應用
37
羅韻晴、陳立偉、 陳念暉、劉宏文、楊忠諺、葉鳳生、林奇宏
奈米科技專論園地
44 有機高分子太陽能電池發展現況葛祖榮、陳方中
相關學術會議報導
53 我的17th International Vacuum Congress 經驗交流楊忠諺
55 2007 Symposium on VLSI Technology 會議報導陳仕鴻
57 2007 年半導體材料之顯微鏡學國際研討會許瓊姿、張茂男
60 2007 國際微波會議報導黃國威
62 國內外學術會議資訊
發行人：倪衛新
總編輯：戴寶通
編審委員：蔡俊輝、張茂男、施錫龍、林鴻志、謝健
執行編輯：黃心寧
美術編輯：有囍廣告有限公司
出版者：財團法人國家實驗研究院奈米元件實驗室出版委員會
登記證：行政院新聞局版台省誌第410 號
編號：022218890021
1
當近代生物科技進入分子層次的
研究，而電子元件進入奈米層
次的發展之時，無疑的將能提供生物
電子突破性的發展機會。很令人期待
的是，結合這兩大科技勢力將能創造
出什麼樣的新局。
生物電子橫跨了當今最熱門且與我
們生活息息相關的生物科技及電子資訊
兩大領域，由於涵蓋的科學知識與專業
技術非常廣泛，異質性亦高，需要縝密
的跨領域整合。本專刊希望循著跨領域
整合的概念提供讀者們創新性的思考方
向；例如，就生物醫學與電子而言，由
於生化感測所能提供的醫療資訊愈來愈
準確，因此如何結合生物分子感測與電
子，自然就成為熱門研究方向，更由於
電子資訊及生物科技本就各已有非常豐
碩的研發成果與應用，因此關鍵技術將
會是在於如何連接與整合這兩大領域的
成果。
生物分子感測是生物醫學研究與
應用的基礎，如果可以準確的量測與
分析重要的生物分子，我們就可以明
確地判斷一個人的健康狀況，相同的
技術還有其他廣泛的應用，如監控與
日常生活息息相關的環境、食品等。
本期對於生物電子的介紹由柯富祥教
授以"漫談生物分子感測器"開始；呂
明霈博士接著以"奈米碳管元件在液
態環境中的感測行為"為例，介紹當
電子元件與生物整合時，經常必須
要在水溶液中進行電性量測的特殊
現象；而有鑑於各式各樣的電子元件
都有可能在複雜的生物系統中找到其
特殊的應用優勢，冉曉雯教授的團隊
以"有機薄膜電晶體在氣體感測及生
物感測器上的應用"來說明軟性電子
元件在生醫感測上無限的發展空間﹔
再者，最令人興奮的是半導體元件在
生物醫學上的應用已經可以實現，"
互補式金氧半導體晶片於生物醫學之
應用"介紹交大研究團隊多年來應用
IC設計及CMOS微機電技術，將使生
醫感測晶片進入實用階段﹔而考慮到
生物電子的關鍵技術，首先將會是在
於生物分子與電子裝置的介面整合，
陳惠民教授的團隊以"自組裝單層膜
(SAM)技術在新生物晶片上的發展"來
介紹其中經常要面對的生物分子固定
化於電子元件表面問題及各種分子自
組裝的技術。除此之外，生物電子的
進展仍然須要許多相關的科技，徐琅
教授團隊的"光電技術在奈米生物科
技的應用"與林奇宏教授團隊的"奈米
壓印技術在生物科技上的應用"分別
提出重要的光電與奈米科技如何應用
在生物科技上。
希望上述各研究團隊精闢的見解
能引發生物電子後續的應用及無限的
發展空間與商機。以台灣在IC設計及
半導體製程的實力，如果能做好跨領
域整合將近代生物科技應用於生醫產
業上，必可開拓出一創新且具高附加
價值的產業。
楊裕雄
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NO.3
2
2007.10 十四卷
編者的話
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主題文章
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漫談生物分子感測器
柯富祥
國立交通大學奈米科技研究所
摘要
未來的生物分子感測器需要
微型化、高靈敏性、高選擇性、
免標識及即時反應，因此製作一
個先進的感測器需要結合由上而
下的奈米圖案定義與由下而上的
分子自組裝。隨著生物、化學、
材料、電子等各種學科之間的整
合及進步，結合生物科技和半導
體技術來製造未來的元件正在如
火如荼的開始。無論是分子元
件，或是生物感測器等晶片，整
合各種學科領域已經是必然的趨
勢。在以往看來不相干的生物分
子和半導體元件之間，已經可以
因為圖案尺度的奈米化而有了交
集，因此在半導體晶片上透過巧
妙的固定化技術為介面，已經可
以逐步將生物分子與半導體晶片
來連結，再經科學家們細心的研
發未來將有可能應用到人體內分
子之偵測。
Molecular Recognition
Biorecepto Transduce
Analyte Measurement
Data Recording and Display
圖1 生物感測器測定分子之原理。
關鍵字
生物分子感測器、分子自組
裝、半導體元件、固定化技術
介紹
人類自出生後，即自然會使用
鼻子的感知神經細胞去偵測氣味，
也懂得使用舌頭的酵素反應去嘗試
食物的滋味。經過科學家們不斷
的研究，今日人類已經瞭解人體
的多數器官是如何去偵測微量的生
化分子，特別是組織器官對於外來
分子之特定辨識能力(Recognition
Ability) 。藉此科學家發展一系列的
生物化學感測法，這些生物辨識法
具有高的選擇性，但是其靈敏性仍
然是一個挑戰。生物感測法及生物
晶片法是目前相當受到重視的分析
技術，生物感測器[1-7] 被定義為一個
元件是由生物辨識系統(Biological
Recognition System) 所組合成，基
本上是由生物受體(Bioreceptor) 及
轉換器(Transducer)
所組成。如圖1 所
示，待測物會與生
物受體有特定的分
子間作用，因為具
有特定之選擇性，故可以進行分子
辨識。常用的分子辨識方法有5類
型，包括抗體/抗原反應、核酸反
應、.反應、細胞反應及仿生材料
反應。由於此分子間之特定作用
力，會使轉換器感應到特殊的訊號
變化，一般常用到的訊號可以是光
學訊號(例如螢光發光、吸收、表
面電漿共振)、電化學訊號(例如定
電位-電流時間法、定電流-電位時
間法、循環伏安法)、或是質量(例
如表面聲波、石英晶體微天平)，
依照使用的訊號原理及電路設計會
使感測器有不同的敏感性。
為使生物感測器的分析效能能
夠大幅提昇，在終端應用上必須設
計成陣列的方式，此晶片即所謂的
生物晶片[1-7] ，內部含有許多的獨
立生物感測器，可以應用在同時多
物種的分析，或是使得分析結果具
有統計上的意義。陣列式的生物晶
片必須結合積體電路的製造技術，
才能使製得的晶片能夠微型化及陣
列化，因此應用在生物分子之分析
才會具有可靠性。基本上生物晶片
若是應用在人體檢測上，其晶片必
須滿足下列的條件：準確性、精密
性、容易製作、堅固、自動化、選之聯繫， 可以製出未來之生物晶圖案描繪， 將這些射束與添加射束
擇性佳、高靈敏性、成本便宜等。片(圖2) 。奈米製造(Nanofabrication) 活性分子之高分子材料進行化學反
由於要同時滿足上面條件是相當困技術是發展未來分子級元件中相當應後， 經過化學溶液之溶解反應，
難的， 例如高靈敏性的生物晶片其重要的研究項目， 特別是在現今半產生所謂正型或負型之奈米圖案
製作成本就會相當昂貴， 因此僅管導體科技之量產技術水準已經達到(圖4) 。要在高分子膜之奈米區域
目前傳統的生物分析法相當耗時，次70 奈米之境界， 預測數年後由奈內進行光(電子)化學反應， 其首要
且所需要的檢體量相當多， 但是米製造衍生出之功能性的元件， 例的條件就是選擇尺寸在奈米尺度之
多數仍然無法被陣列式生物晶片取如生物晶片、智慧通訊晶片及塑膠光子束或電子束來進行描繪[17-18] 。
代， 科學家們必須更加積極的投入顯示器等， 將影響人類之生活作習就光束而言， 使用的波長分別為
新型的分析晶片研發。[8-13] 。奈米製造的基本定義， 係在193nm ( 由Argon Fluoride 準分子雷
任意的材料上製作出1-100nm 的圖射產生)、157nm( 由Fluorine 準分子
生物分子和半導體晶片之案[14] 。要去製造出如此小的圖案，雷射產生)、或13.5nm( 由Nd-YAG 雷
製造技術可以使用兩種不同的方式(圖3) 來達射激發Xe 產生)。就電子束而言，
發展奈米生物感測器一直是人成， 分別稱為「由上而下法」(Top 可以使用高斯式(Gaussian) 、遮式
類相當重視的課題， 特別是在後基Down) 及「由底往上法」(Bottom (Shaped) 、或投射式(Projection) 。
因體時代， 因為快速檢驗及有效的U p ) 。目前普遍認為「由上而下另一種所謂的「由底往上
藥物治療已經成為目前科學家的首法」具有較易控制圖案座標的優法」， 是目前學術界相當重視的研
要研究目標。但是要達到上述的目點， 而此方法必須整合材料化學、究題目， 其主要的優點， 是本方法
標仍然有相當大的困難， 特別是整物理光學及精密機械等之知識， 因使用的設備相當便宜， 約為「由
合的問題。例如生物分子和半導體此是相當複雜的方法[15-16] 。舉例而上而下法」的五十分之一， 甚至
晶片原來是沒有交集的兩項重要技言， 工業界使用之「由上而下法」更低， 因此深具潛力[15, 19-20] 。如圖5
術， 整合半導體工程之製造技術與通常使用雷射光束(Laser Beam) 或及圖6所示， 選擇特定基材與組裝
生物科技技術， 藉由固定化技術電子束(Electron Beam) 來進行奈米分子後， 可以藉由化學吸附或是物
(a) (b)
正型圖案負型圖案
polymer
film
substrate
Future Devices
Nanofabriction Tailored
Biomolecules
Semiconductor
Eingineering
Biotechnology
Immobilization
Technique
圖3 奈米製造的兩種方式：(a) 「由上而下圖4 工業界採用「由上而下」奈米圖案成
法」(Top Down Method)；(b) 「由底往形法的示意圖，包括正型奈米圖案與
圖2 生物分子和半導體晶片之關係圖。上法」(Bottom Up Method) 。負型奈米圖案之製作方式。
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2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
理吸附的方式， 將分子依規律排裝分子之特性， 分子的一端必須具
列在基板上。常見的「由底往上有活性官能基， 而能與表面進行化
法」包括兩類型， 分別為分子自學反應。分子的另一端， 可以含有
組裝成膜(Molecular Self-Assembled 功能性官能基， 可以再接上其他的
Monolayers, SAMs) 與兩性分子LB 分子， 然後進行分子辨視之功能。
膜(Amphiphiles Langmuir-Blodgett 目前常見的表面其材料分別有Au 、
Films) 。上述這兩種方法， 均可以Ag 、Pt 、Si-OH 、GaAs 等， 分別可
在基材表面規律的排列多層膜， 但與不同型態之分子反應[15] 。
是兩者所使用的機制有些許差異。至於L B 膜的起源， 早在
自組裝法必須選擇合適的化學官能1917 年Langmuir 即研究兩性分子
基， 藉著化學反應逐步組裝分子。(Amphiphilic Molecule) 在水溶液表
至於後者則必須選擇同時具有親水面的行為， 並提出雙性分子之表面
端與疏水端的分子， 且其親水端分壓力與面積之關連性[23] 。到了1935
子之親水性必須適當控制， 藉由物年[24] ，Blodgett 已經能在基材表面
理吸附之方式， 方能逐步在基材表組裝多層雙性分子， 但是其後因為
面組裝分子。由底往上法的反應有二次世界大戰的關係， 其研究經
兩種方式， 分別為分子自組裝成膜過長期的停滯， 直到1960 年代才又
與兩性分子LB 膜。僅管兩種方法均開始興盛。典型的LB 膜， 必須使用
可被應用到奈米元件製作， 但是前到圖6(a) 類型之分子， 其一端具有
者所使用的設備較為簡單， 且其組COOH 官能基， 可以溶解到水中。
裝分子與表面之作用力較大， 因分子上其餘部份為脂肪族的碳鏈，
此較被重視。對於分子自組裝而例如具有15 個碳的長度， 因為無法
言， 最為常見的例子是將含有硫醇溶入水中， 而必須朝向空氣相。簡
基(-SH) 之分子組裝到金(111) 膜的表而言之， 此雙性分子必須能夠存在
面， 其係Nuzzo 與Allara 在1983 年首於液相及氣相之介面。至於要如何
先提出[21] 。其係將基材放到含有硫將雙性分子組裝到玻璃表面呢？ 圖
醇分子之溶液中， 經一段時間之化6(b) 說明將玻璃基板由水中慢慢往
學反應後， 會在基材表面產生S-Au 上提， 並在基板表面施加一個壓
鍵(圖5(a) 所示的化學反應式)， 而力， 則兩性分子的親水端(-COOH)
將分子組裝上去。組裝後的表面，會因與玻璃表面具相同的親水性而
其分子間為維持最高的凡得瓦作用吸附(一般為物理性吸附)上去。此
力， 會有規律的排列且與水平面呈時基材已經吸附一層兩性分子， 而
現約60 度之角度[22] 。圖5(b) 為自組在空氣中的表面露出疏水端(即脂
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肪族的碳鏈)，如果慢慢的將基材
再度慢慢的移進水相內，則第二層
分子會吸附到第一層分子上面。同
理，如果此時基板慢慢移出水相表
面，則此時基材表面已經組裝了三
層分子。
但是「由底往上法」現今的研
究重點並不是在整個基材的面上建
構化學分子，而是希望能夠在特定
的奈米區域內組裝或是控制分子，
經由一系列的反應或製程，而製得
下一世代的生物感測器或是光電
(a)
X(CH2)nSH+Au→X(CH2)nSAu+1/2H2
圖5 (a) 硫醇分子與金之化學反應式；(b) 硫
醇分子會在Au 基材表面以S-Au 鍵形成
表面自組裝。
(b)
Au
60℃
(a) (b)
圖6 (a) 典型的兩性分子化學構造；(b) 兩性
分子吸附到玻璃基板表面。
元件。因此近年來在自然或是科
學的期刊上[25-29] ，有許多報導係整
合「由底往上法」與「由上而下
法」，操控分子之排列位置，進一
步製作出功能顯著的分子元件。
固定化技術
有效率且可靠的選擇性固定化
生物分子到奈米元件上是將生物和
半導體相連結的關鍵。生物分子
的尺寸大小、等電點(pI) 值、胺基
酸的組成、pH 值穩定範圍、及連
結優先選區位置等都是決定固定
化方法的重要資訊。上述分子自
組裝成膜與兩性分子LB 膜都可以作
為固定生物分子的方法，但是其中
以化學共價鍵結來固定化生物分子
的方式被認為是最簡單而且可靠的
[31] 。Primary Amino Group (-NH2) 在
所有Polypeptide 的N端都具有的官
能基， 這是一種非常普遍而且容易另一端露出NH2官能基再與CDI 及
來作為固定化的方式。此外， 利用Imidazole 分子反應即可與DNA 分子
Cysteine 上的Sulfhydryl/Thiol Groups 結合。
(-SH) 亦可作為固定化的強力鍵結Rhodamine
及其衍生物是相當
例如和金形成金硫鍵。而碳水化合受歡迎的分子， 因為其可以用來對
物(Carbohydrate) 的官能基可以透過多種生物分子進行標識， 因此可以
氧化製造醛基(-CHO) 來作為結合的由表面螢光來判斷分子是否已經鍵
位置。結到基材的表面。對於半導體基材
若是基材和生物分子間並無可而言， 包括矽、氧化矽及氮化矽
供共價鍵進行鍵結之官能基， 通等， 我們曾經研究Rhodamine 分子
常要透過修飾反應上化學分子的能組裝到何種表面， 此結果有助於
方式， 藉由此化學分子當作連接物以類似的方法進行真正生物分子的
(Linker) ， 一端與基材相接而另一端組裝。圖8顯示在氧化矽表面完整
與生物分子相接， 作為兩者之間的的固定化程序， 第一步先將APTES
橋樑。圖7為本實驗室開發之奈米分子與氧化矽反應， 表面會釋出乙
線分子感測器[32] ， 可以分析DNA 的醇分子， 而產生Si-O-Si 的鍵結並使
序列互補性。其在矽基奈米線上固基材表面產生了-NH2之官能基。其
定上DNA 分子之方式如下， 首先在次，Glutaraldehyde 分子之一邊醛基
矽化鉑奈米線上利用矽表面的-OH 與表面的-NH2作用， 而產生Imine
基修飾上APTMS 分子， 而APTMS 的鍵結。另一端未反應之醛基，
Capture
DNA
Pt+Slicide nanowire
OH
Si
OH
Si
OH
Si
Si
O O O
NH2
CDI+Imidazole HEPES+EDTA 55℃+PBS
Si
O O O
NH
O
P OO
O
ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA
Si
O O O
NH
O
P OO
O
ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAATarget
DNA
TAGGAATAG TTG TAA ATT GTT ATT A
Si
O O O
NH
O
P OO
O
ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAATAGGAATAG TTG TAA ATT GTT ATT A
Modify APTMS Capture DNA immobilize Detect Target DNA DNA Degrade
Pt Pt
圖7 奈米線分子場效電晶體分析DNA 序列的固定化暨修飾[32] 。
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2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
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H3C H3C
H3C N+
ON
CH3
O
-
O
ON
HC HC
CH2 CH2
H2C H2C
CH2 CH2
HC HC
NH2N N
H2C H2C H2C
CH2 CH2 CH2
H2C H2C H2C
Si Si Si
Step1
Step2
Step3
OH OH OH OH OO OOH OO OOH OO OOH
O
Si
O
O Si
O
Si
O Si
O
Si
Si
O
O Si
O
O Si
O Si
OSi O
O Si
O Si
O Si
O
Si
O
Si
OSi O
OOOOH2N OOOO OOOO OOOO
CH2 CH2
H3C H3C
CH2
H2C HC CH2 CH H3C N+
CH2 OO
ON
O CH3
CH3
-
CH2Si CH2 O
H3COO O
H2C
CH3
NH2
圖8 在氧化矽基材表面固定Rhodamine 分子的三個步驟。
則提供一個適合位置來與後續的
Rhodamine 分子上之-NH2官能基反
應。經由圖8之三個步驟的化學反
應，即可以將Rhodamine 分子固定
化在基材表面。在我們的研究中，
發現Rhodamine 分子只能固定在氧
化矽表面，而無法固定在矽及氮化
矽之表面。
超高靈敏生物分子感測器
近年來由於半導體產業的快速
發展，製作功能性晶片的方法也大
幅進步，雖然有許多種用半導體
方法製成的生物感測晶片，但其中
以矽奈米線作為感測元件展現出最
佳的表現。哈佛大學化學暨生化系
的Lieber 教授首先提出以雷射成長
Vapor-Liquid-Solid (VLS) 方法製造出
矽奈米線[33] ，將此奈米線組裝到晶
片表面的電極上而形成場效電晶體
[34] 。其係利用流體攜帶的方式將矽
奈米線流到表面並跨接在兩個電
極上(一般稱為源極與汲極)，然後
將小分子的生物素(Biotin) 組裝到奈
米線的表面。接著若是分子量為
60000 的Streptavidin 蛋白質流過奈
米線表面，由於此蛋白質與Biotin
分子間具有專一性，因此很快的反
應到奈米線的表面，進而影響到奈
米線的電導值(Conductance) 。由於
奈米線場效電晶體極為靈敏，所以
不同濃度的Streptavidin 蛋白質其對
奈米線之電導效應可以被量測出
(圖9) 。利用奈米級場效電晶體的
超高靈敏性(~pM) 與極大的工作範
圍(一般有106)，在背面電極調整到
適合的操作電位下，其可以偵測到
10pM 的Streptavidin 分子，這項比先
前傳統電化學法分析生物分子更加
靈敏且工作範圍極大。
奈米線FET 的分析原理，是
利用奈米線上的載子密度(Carrier
(a)
SINW SINW
(b)
1650
1600
2
3
1550
1
1500
0 200 400
(c)
1650
1600
1
2
1550
1500
0 200 400
圖9 電訊號矽奈米線生物感測器：(a) 矽
奈米線固定化Biotin 之示意圖；(b) 在
Streptavidin 溶液中，矽奈米線固定化
Biotin 後表現出電導率對時間的變化。
區域1注入緩衝溶液，區域2加入濃度為
250nM 的Streptavidin ，區域3再注入緩
衝溶液；(c) 矽奈米線未固定化Biotin 則
無表現出電導率的變化。其中區域1和
區域2注入和圖(b) 相同的溶液。本圖引
用自文獻[34] 。
Density) ，受到表面接著分子(例
如DNA 或是蛋白質)所帶電荷的影
響，依據固態物理的理論其載子會
被Depletion 或Accumulation ，進而
改變奈米線的電導值[35-36] 。由於奈
米線的尺寸極小，對於外界分子所
引入的電荷相當靈敏，所以可以用
來辨識分子之種類及分析濃度。由
於目前多數的奈米線場效應電晶體式， 可以讓在周界環境受到一天曝
之製程大都使用金為電極材料， 以露的晶片表面恢復其原來之狀態，
便於實驗室來研發生物晶片。然而此潔淨方式對於二氧化矽、矽、與
金具有較大的擴散係數， 並不被現鋁表面均有一定程度的效能。圖10
在的半導體廠使用。在製作生物晶為我們研究的場效應奈米線電晶
片的製程中， 也會面臨晶片表面之體， 其使用SOI 晶圓進行半導體製
清洗問題， 使用硫酸與雙氧水之傳程， 整合離子佈植等製程， 成功的
統潔淨方式， 可以適用在金的電極製作出矽奈米線。
上， 不會有腐蝕的顧慮。但是考量圖11 係為應用不同的清洗溶
到半導體廠之需求， 若是不能使用液， 來清潔奈米線場效電晶體，
金電極， 而改用鋁電極， 則前述之再量測其電流值， 藉以評估清潔溶
硫酸與雙氧水混合溶液之方法必須液之良窳。由於若是奈米線表面能
修改。我們研究團隊曾經評估一系夠固定上DNA 分子， 則DNA 分子所
列的替代潔淨溶液， 發現丙酮與乙施加之負電能夠抑制電流。我們研
醇的混合溶液是一種可行的潔淨方究發現使用丙酮與乙醇混合溶液清
洗，可以有效的潔淨感
測器之表面，因此能夠
讓表面容易去固定較多
的DNA 分子。反之若是矽
奈米線表面因為無法清潔乾淨，則
污染物質會阻礙表面固定上較多的
DNA 分子，因此其電流值會上升。
結語
發展超高靈敏性生物分子感測
器是一個很重要的趨勢，此產品研
發成功將有助於人類對於疾病之早
期測定，且有助於新功能性藥物之
開發。以半導體製程為基礎之生物
分子感測器是相當具有潛力之技
術，因為其具有大量製造之優勢，
並有助於產品化後市場價格之競爭
力。發展此新式感測器必須同時整
合奈米製造技術與表面固定化技
術，仍然有許多的問題人類必須設
法解決，但是目前主要科技強國均
投入相當多之人力與經費積極進行
此感測器之研究。台灣由於半導體
Metal Pad
n+Drain n+Source
Si nanowire
150mm SiO2
50mm SiO
Substrate
Clean No clean
10-5
10-9
10-6
10-7
10-8
OH OH OH OH OH OH
I DS (A)
圖11 奈米線場效電晶體在不同清洗條件下之平均汲極電流(n = 7) ；汲極電
位：1V ；閘極電位：–6 V；(a) 沒有任何清洗樣品；(b) 沒有任何清洗
樣品，但是有固定上Capture DNA；(c) 使用水清洗，有固定上Capture
DNA；(d) 使用異丙醇清洗，有固定上Capture DNA；(e) 使用丙酮與乙醇
混合溶液清洗，有固定上Capture DNA；(f) 使用丙酮與乙醇混合溶液清
洗，但是沒有固定上Capture DNA 。
圖10 奈米線場效電晶體之製程步驟。
8
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
相關之高科技產業蓬勃發展，也相
當具有利基去發展超高靈敏生物分
子感測器。
參考文獻
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奈米碳管元件
在液態環境中的感測行為
呂明霈
國家奈米元件實驗室
中文摘要
奈米電子生物感測元件將是
一個擁有高靈敏度以及即時反應
的生物電子系統，也因為期望其
能區分出因生物反應所造成的微
量電子訊號變化，生物感測元件
所面對外在環境的干擾必須降到
最低。然而，一個生物感測元件
會因處在液態環境中，而面對到
在電性上的干擾。本文將針對奈
米碳管元件在液態環境中的漏電
問題以及對環境的感測能力，做
更深入的探討及計算。
關鍵字
生物感測器、奈米碳管、奈
米電子元件
自從Iijima [1] 在1991 年成功發
現新的碳結構－奈米碳管(Carbon
Nanotube) 以來，此發現不但是引
起全世界的注意，更引發為數不
少的研究團隊從事研究發展此奈米
結構的特性以及應用面。根據奈米
碳管的能帶理論計算以及實驗數據
結果得知，奈米碳管大致上可以區
分為兩種特性[2,3] ：一為半導體特性
(Semiconducting) ， 另一種是金屬
特性(Metallic) 。金屬特性的奈米碳
管中有個特殊的現象，在特定的金
屬特性奈米碳管會因為直徑越小曲
率越大而使得π和σ軌域有混成現
象(Hybridization Effect) ，此現象會
造成一個有小能隙的半導體特性
(Small-Gap Semiconducting) ，大致
上奈米碳管為哪一種性質都與其直
徑(Diameter) 及對稱性(Chirality) 有關
[4,5] 。基於以奈米碳管為載子通道的
想法而構成的第一個奈米碳管場效
電晶體(Carbon Nanotube Field-E ect
Transistor) 在1998 年被實現[6,7] ，這也
開啟了另一個以奈米碳管為基礎的
研究方向。更進一步來說，奈米碳
管也因為奈米結構擁有高的表面
積對體積比(Surface Area-to-Volume
Ratio) ，而有氣體感測器[8,9] 或是生
物感測器方面的應用潛力被提及。
這幾年來，不只是奈米碳管元件，
包含了奈米線(Nanowire) 電子元件
在生化感測器方面的想法大量的被
提出來。在生物電子應用方面，奈
米碳管元件可以拿來當成針對單一
或是特定蛋白質的感測元件，但是
作為一個生物感測元件，我們必須
更了解奈米碳管在液態環境中的電
荷傳導行為[10,11] 。這樣才能分辨在
感測器操作過程中所反映出的電性
是否正確，畢竟電子元件在液態環
境中，有其必須要考量的可靠性問
題。以下將會針對我們在奈米碳管感
測方面的相關研究做更深入的探討。
實驗步驟
首先在矽晶片上成長厚度約為
300nm 的氮化矽(Si3N4)，此厚膜將
用來當做絕緣層，因為本實驗中所
製造的奈米元件將用在生物感測器
方面，而氮化矽對於水氣有良好的
絕緣效果，故選擇此一材料當作絕
緣層。之後在氮化矽的表面定義出
100 nm 厚度的鈦(Titanium) 電極，以
此當作是元件的Source(S) 及Drain(D)
電極，S和D電極的距離為2μm。接
著把直徑約為1.4nm 的奈米碳管泡
入Dimethylformamide(DMF) 中，再
經由超音波震盪使奈米碳管均勻的
分布在DMF 溶液之中，接著把DMF
溶液旋佈在晶片表面。再來是塗佈
上約800nm 厚度的光阻當作金屬保
護層(Passivation Layer) ，並且用微
影製程定義出一個感測用的孔洞
10
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
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圖1 上圖表示元件量測的示意圖，Source端接地，Drain端給VD，
且Liquid-Gate端給Vlg，Source和Drain端的電極都被光阻層(PR)
覆蓋以隔絕金屬跟液體接觸。下圖是元件的俯視圖(Topview)，
可以清楚的看到，在兩個電極之間有個感測用的孔洞(Sensing
Window)。
Passivation Layer (PR)
S DCNT
Solution
VD
Vlg
Si3N4
和液體能夠充
分接觸，並且
圖2 在去離子水的環境中，比較金屬電極有保護層和沒有保護層的
漏電行為。
Without Passivation layer
Without Passivation layer
Vlg = 1.5V
Liquid Gate Current (A)
10-6
10-9
10-12
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6
VD(V)
(Sensing Window)[12]。在此孔洞中，
連接S和D電極的奈米碳管會裸露出
來，然而金屬電極會被光阻層所覆
蓋，因此沒辦法和外在的環境直接
接觸。過程中控制奈米碳管的量使
得含有奈米碳管的DMF溶液旋佈在
晶片上，可以有效達到只有一根奈
米碳管連結S和D電極。
本實驗中的電子元件量測設定
將採用Liquid-Gate電極量測方法[13] ，
利用此一電極將更有效益的控制感
測元件電性，此一方法將能更進一
步探討外在環境的改變對於奈米碳
管的費米能階(Fermi Level)的影響
性。實驗過程中我們也將會把一顆
約為1~ 0.5μl的液體滴入感測孔洞
之中，使得露出來的奈米碳管表面
透過Liquid-Gate
電極把不同液
體的差異性反
映在奈米碳管的費米電位上。實驗
過程中的量測示意圖如圖1，在圖
1中我們可以清楚看到元件的俯視
圖(Topview) ，圖中有一個感測孔洞
在兩個電極之間。本實驗中奈米
碳管所量測到的電性是把奈米碳
管曝露於去離子水(Distilled Water：
Resistivity ~ 18.2 MΩ-cm)以及離
子水(Aqueous Solution：1×10-4 M
NaCl)的環境之中，以下將針對在
不同環境中所量測的電性作更進一
步討論。
實驗結果及討論
首先在本實驗中，我們將針對
金屬的光阻保護層(Passivation Layers)
對電性的影響來做討論，由圖2中
的Liquid-Gate漏電流量測數據得
知，漏電流在沒有金屬保護層的元
件中是有金屬保護層元件中的大約
一百倍大，也就是在沒有金屬保護
層的元件擁有大約1×10-8 A左右的
漏電流，相對而言，有金屬保護層
保護的元件卻只擁有4×10-12 A大小
的漏電流，漏電流的大小會影響到
我們量測數據的可信度，當元件的
驅動電流(ID)比漏電流小的時候，所
量測到的驅動電流數據將會被漏電
流所影響，使得量到的數據並非可
信，除非能扣掉漏電流所造成的影
響。因此降低漏電流的大小，也就
是提升生物感測元件的操作範圍將
是製作生物感測元件的重要工作。
接下來我們把上述準備好的兩
種溶液注入欲量測的奈米碳管元件
的感測孔洞內，首先是去離子水，
再來才是離子水。這樣流程的目的
是可以避免因為先注入離子水而有
離子殘留，這會影響之後去離子水
的實驗。由圖3我們可以看到，不
管是注入離子水或是去離子水的實
驗，奈米碳管的驅動電流(ID)是隨著
Vlg上升(0V~1.5V)而變大，由此可見
元件的電性是可以被Vlg所操控的這
也就是所謂的奈米碳管場效電晶體
特性。由於元件的金屬電極都被光
阻層覆蓋，根據相關研究顯示，保
護層可以阻絕空氣中的氧氣吸附在
奈米碳管和金屬的介面，奈米碳管
電晶體會因為有氧氣的吸附改變介
面的蕭特基能障(Schottky Barrier)，
也就是有吸附氧氣會使得奈米碳管
元件傾向為p-Type，換句話說本實
驗中奈米碳管元件應為n-Type的場
效電晶體特性[14]，這也跟我們實驗
過程所得到的數據相符合。也因為
本元件是n-Type的電晶體，所以我
們把焦點都放在Vlg為正電壓的操作
範圍，這樣做的目的可以降低電性
受到蕭特基能障的影響。之後我們
將針對在不同的Vlg條件下，比較奈
米碳管元件在不同液態環境中的ID
大小，如同圖4的電流比較圖，我
們可以發現此顆元件是由半導體特
性的奈米碳管所構成，元件開關
的電流比值(on-off Ratio) 超過一千
倍，這也就是半導體特性的奈米碳
管才會有的電流特性[15]，我們也發
現到在兩種不同環境中，電流的差
異性可以到10 倍左右，可以說奈米
碳管元件對於是否有離子含在液態
溶液中有明顯的分別。接下來，我
們將會針對幾個不同Vlg條件下的電
流比值(Current Ratio) 做更進一步的
分析。
首先我們先針對元件的臨界電
壓(Threshold Voltage)來做討論，圖
5(a)中表示奈米碳管在去離子以及
離子水中的電導行為，我們可以得
知奈米碳管元件在去離子水的環境
中以及離子水溶液中，臨界電壓
分別約為0.77 V以及0.32 V。當加在
Vlg的電壓大小逼近臨界電壓時，表
示奈米碳管的傳導能帶(Conduction
Band)和費米能階接近重疊，當Vlg
大於臨界電壓時，又代表著奈米碳
Distilled Water 1x10-4 M NaCl
Vl g= 0 V Vl g= 0 V
Vl g= 0.3 V Vl g= 0.3 V
Vl g= 0.9 V Vl g= 0.9 V
Vl g= 1.5 V Vl g= 1.5 V
0.0 0.5 1.0 1.5
0.0
0.2
0.4
0.6
ID (μA )
VD (V )
Vl g = 0 ~ 1 .5 V
0.0 0.5 1.0 1.5
0
1
2
3
4
5
ID (μA )
VD (V )
Vl g = 0 ~ 1 .5 V
(a) (b)
.5
μ .5
μ 105
0.0
1013
107
109
0.5 1.0 1.5
NO.3
12
2007.10 十四卷
圖3 (a)在去離子水的環境中，ID會隨著Vlg的增加而變大，Vlg是從
0V~1.5 V， 每個Step是0.3 V；(b)在NaCl液體的環境中，ID會隨著
Vlg的增加而變大。
圖4 比較奈米碳管在去離子水和離子水的環境中，在不同Vlg的
條件下，量測所呈現出來的ID圖。
圖5 (a)比較兩種不同環境中的電導行為；(b)從Liquid-Gate到奈米碳管的等效電容模型；(c)
針對不同的費米能階(Fermi Level)條件，計算出Vlg和載子濃度的計算結果。
Drain Current D(A)
VD(V)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2
0.0
0.5
1.0
1.5
Ef ( e V )
Vl g
0
3
6
9
Car rier Density (x1 0 9 1/m)
0.0 0.5 1.0 1.5
0.0
0.1
0.2
Conductance ( μ S)
V l g (V)
distilled water
aqueous solution
(a)
(b) (c)
+++ +++
- - - - - -
CCNT
Vlg
Clg Ef /q
+++ +++
- - - - - -
Qlg
QCNT
Distilled water
Aqueous solution
(V)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2
0.0
0.5
1.0
1.5
Ef ( e V )
Vl g
0
3
6
9
Car rier Density (x1 0 9 1/m)
0.0 0.5 1.0 1.5
0.0
0.1
0.2
Conductance ( μ S)
V l g (V)
distilled water
aqueous solution
(a)
(b) (c)
+++ +++
- - - - - -
CCNT
Vlg
Clg Ef /q
+++ +++
- - - - - -
Qlg
QCNT
Distilled water
Aqueous solution
(V)
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
管中的負電荷開始累積，也就是奈
米碳管元件開始打開(Turn on)了。
一個描述奈米碳管在不同環境中的
臨界電壓的等效電容模型如圖5(b)
所示。這是一個用來描述從Vlg電極
到奈米碳管基材的等效電容模型，
其中忽略了溶液中的電阻(Solution
Resistance)。在我們的實驗過程，
元件儘量操作於小電壓範圍，這樣
可以避免甚至忽略其他效應產生的
電阻以及電容。Clg表示一個介於
奈米碳管和表面離子之間的雙層電
容(Double-Layer Capacitance)，Ccnt
則表示為奈米碳管本身的量子電容
(Quantum Capacitance) ，根據這個
等效電容模型，我們可以得到以下
的關係式[13]：
qvlg=Ef+q ·
Clg
QCNT
(1)
式子中的Qcnt為奈米碳管中單
位長度的電荷密度，Ef則是表示為
相對於奈米碳管的中間能隙能量
(Middle-Bandgap Energy)的費米能
階，奈米碳管中的電荷密度可以由
下式表示：
(2)
在(2)式中，Ei表示為第i個相對
於中間能隙的次能帶(Subband)，
f(E)則是費米-迪拉克分布(Fermi-
Dirace Distribution) ，其中D(E)是一
維奈米碳管的態位密度(Density of
State：DOS) ，可以寫成[16]：
(3)
在第(3)式中，E為電子相對於中壓的條件下，離子環境的Double
間能隙的能量，a 為碳原子之間Layer 電容和量子電容是彼此相當
的距離(a 0.144 nm)，Vppπ則是的，所以Vlg及費米能階的相對關
Nearest-Neighbor Interaction Energy 係是由這兩個電容一起來決定，
(Vppπ 2.5 eV)。但是在去離子水的環境中，由於
在第(1)式中的Double-Layer電Double-Layer電容比量子電容小，
容是可以用一個理想的桶狀電容所以在這個實驗的電容模型中，
模型來估算，Clg = 2πεε0 /㏑Double-Layer電容還是扮演主要因
(1+2λD /d) ，其中ε為介電常數素。由上述討論，我們得知在去離
(εH2O 80)，d為奈米碳管的直徑子以及離子溶液下的Clg值，將Clg代
(本實驗中d 1.4 nm，Eg 0.56 eV)， 入公式(1) ，可以得到如圖5(c)中的
λD為Debye Screening Length。在計算結果，圖中的單位長度下奈米
含有1×10－M NaCl的離子水中，碳管的電荷密度是由公式(2)可以求
λD約為31 nm ，所以得到Clg = 1.162 得。另外我們發現到不同環境中單
nF/m。在去離子水的實驗中，由位電荷比例約等效於量測得到的電
於計算得到的λD約為1μm，這流比例，這也是合理的一個現象，
和實驗過程中的Vlg電極與奈米碳因為金屬和奈米碳管之間的介面被
管之間的距離很接近，所以我們光阻層覆蓋，所以說蕭特基能障不
從圖5 ( a ) 中的實驗數據計算得到會受到外面環境的影響。針對不同
Clg 55 pF/m ，這個值比理想的電的Vlg值下的實驗，離子環境中的電
容值613 pF/m還要來得大。當Vlg在流對上去離子環境中的電流的比例
小電壓的條件下，Double-Layer 電大小，我們將實驗數據表示在圖
容不管是在去離子
水的環境或者是在
離子水的環境中，
都比奈米碳管本身
的量子電容來得
大，意思是說在等
效電容模型中是由
奈米碳管的量子電
容來主導，也就是
說Vlg Ef/q。換句圖6 奈米碳管元件在離子環境中的電流對在去離子環境中的電
0 . 0 0 . 4 0 . 8 1 . 2 1 . 61 0 -2
1 0 0
1 0 2
Current Ratio
V l ( V )
A
B
C
E= 0Ef,Ion
Ef,Water
E= 0
Ef,Ion
Ef,Water
E= 0
-202Ef,Ion
Ef,Water
E
2
Eg
A
0E 0E 0
EVl(V)
E= 0ECB
E
E 1E 1E 1
0E0E0
流比例(▄) 以及計算結果(Solid Line)的比較。下圖表示在話說，當Vlg 在大電
不同的Vlg(A,B,C )下，所對應到的一維奈米碳管能帶圖。
6中，並且將計算所得到的單位長
度電荷密度比例也顯示在圖中。我
們發現不管是電流比例或者是電荷
密度的比例，都會隨著Vlg 增加而變
大，最後趨向飽和。圖6的下半部
圖表示在不同的Vlg 條件下的奈米碳
管能帶圖。當Vlg=0V 表示為A，此
時在去離子水條件下的費米能階略
為比在離子水條件下的費米能階為
高， 而隨著Vlg 增加到B點(0.6 V)，
此過程中離子水條件下的費米能階
將比去離子水下的費米能階以更快
的速度上升。直到Vlg 上升到C點(1.5
V) ，離子水條件下的費米能階已超
過第二低的次能帶(Second Lowest
Subband) 。
回顧到圖4，我們發現在去離
子水條件下所量到的電流約為離子
水條件下的兩倍，也就是圖6中的A
點，可能的原因是去離子水條件下
有水分子的吸附。根據研究，若水
分子吸附在奈米碳管表面，會造成
電子的轉移現象，一個水分子大概
會有0.03 個電子轉移效果，這會使
得碳管表面有更多電子[17,18] 。雖然
在常溫下，水分子吸附的機率相對
很低，根據我們的實驗數據，且若
取水分子之間的距離約為0.3 nm 來
計算，大概一整根奈米碳管表面，
只要有吸附一個水分子, 就可以達
到上述實驗的結果。也許在去離子
水中，水分子的密度會比離子溶液
來的高，也就可能造成這樣的現
象。
結論
我們展現奈米碳管元件在不同
液態環境中，會擁有不同的電性表
現。換句話說，奈米碳管擁有對液
態環境感測的能力。相對而言，若
要把奈米碳管用來當液態環境下的
生化感測器，首先要先把因為環境
的因素所造成的影響釐清楚，更進
一步相關的物理電性研究，將使我
們更了解奈米碳管的生物感測器所
量測出來的電性的背後意義。
致謝
感謝交通大學電子工程陳明哲
教授在元件量測以及實驗過程中所
提供的幫助。感謝交通大學生物科
技研究所楊裕雄教授以及蕭程允同
學在此實驗過程所付出的努力。
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14
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
有機薄膜電晶體在氣體感測
及生物感測器上的應用
冉曉雯1、顏國錫1、羅淵仁2
國立交通大學光電系暨研究所1、國立交通大學生物科技系暨研究所2
摘要
本文簡介近年來有機電晶體
(包含有機薄膜電晶體以及有機
電化學電晶體)在氣體感測以及生
物感測上的發展。在氣體感測部
分，首先簡要陳述現今各種電子
式氣體感測器的原理及優缺點，
引入有機薄膜電晶體於氣體感測
之各項研究發展，並歸納目前所
提出的幾種感測機制、討論有機
薄膜型態和元件尺寸對感測能力
的影響，同時簡述有機薄膜電晶
體於電子鼻上的應用潛力；在生
物感測部分，提出有機電晶體在
生物感測器上的優勢，並針對現
今主要的有機電化學電晶體生物
感測器做概念的介紹，最後提出
今年柏克萊大學最新發表的有機
薄膜電晶體DNA 微陣列晶片之研
究成果，討論有機薄膜電晶體作
為生物晶片未來發展之潛能。
關鍵字
有機薄膜電晶體、氣體感
測、電子鼻、生物晶片
前言
近幾年來，有機薄膜電晶體
(OTFTs) 的技術發展受到越來越多人
的注意，其元件載子遷移率的上升
(> 0.5 cm2/Vs)[1] 、操作電壓的下降(<
10 V)[2] 、以及低溫簡易的製程[2] ，
帶動了有機薄膜電晶體在軟性顯示
器、軟性電子、RFID tag 以及各種
感測器例如溫度、溼度[3] 、壓力[4] 、
光感測、氣體以及生物感測上的應
用。如圖1所示，目前大部分的有
機薄膜電晶體具有底閘極(Bottom-
Gate) ，依其汲極源極接觸電極的
位置分為頂接觸(Top-Contact) 和底
接觸(Bottom-Contact) 兩種結構，
主動層由有機分子排列而成，可分
為小分子(例如Pentacene) 和大分子
(有機聚合物)兩類。因為是分子型
態排列的薄膜，所以主動層通常孔
隙多，容易吸收環境中的各種分
子，造成元件特性的漂移。從元件
可靠度的角度來看，此元件需要加
上適當的覆蓋層隔絕環境中水氣、
氧氣等分子的侵入，來維持元件的
壽命；從另一個角度來看，此元件
對外在分子的敏感性，正足以用來
作為感測器，不管是氣體感測或是
發展為各類型的生物感測器，如果
能建立適當的選擇性，那麼有機薄
膜電晶體製作成便宜可拋棄式的感
測產品，開發其在醫療診斷上的用
途，也是值得期待的。本篇文章就
針對目前有機薄膜電晶體在氣體和
生物感測器上的相關研究，做一簡
短的介紹。
電子式氣體感測器
傳統在香水、酒類、飲料、食
品甚至於醫療或環境中異味、臭味
的檢測上，大部分依靠人的嗅覺和
經驗來鑑定，對氣味的偵測即使是
現在也一直未有簡便且有效的儀器
檢測方法。使用人類嗅覺做測量工
Top Contact
圖1 頂接觸(Top-Contact) 和底接觸(Bottom-
Contact) 兩種結構的有機薄膜電晶體。
oxide
S
organic
D
Bottom Contact
Gate
oxide
S organic D
具，在嗅覺疲勞、個人主觀因素影
響下，不論測試結果的準確度或測
試結果的數據化都有極大的障礙。
對其他如有毒氣體的偵測，更不能
靠人的嗅覺來執行。
目前市面上的電子式氣味感測
器多半是電阻式的氣味感測器，所
使用的辨識材料多採用多孔性金屬
氧化物(Porous Film Metal-Oxide) 或
導電高分子(Conducting Polymers)，
點是能藉增加聚合物骨架上官能
基的多樣性，而得到不同的感測
材料。比起金屬氧化物感測器，
導電高分子感測器能辨別更多樣
的氣體，但還是具有應答時間長
(20~40 秒)、溫度穩定性差、再現
性差以及價位-2.0
機膜製成元件來形成高選擇性的感
測陣列，也可望藉由有機薄膜官能
基的變化，提高選擇性。因此，接
下來我們就將針對有機薄膜電晶體
在氣體感測上的多項特點做詳細的
說明：
圖2 改變閘極偏壓可提高有機元件對氣體反應的響應。
來源：B. Crone et al. / Apply. Phys. Lett. 78 (2001) 2229-2231
time(sec)
高等缺點。其
他還有利用催
化反應(Catalytic
dDDα6T/l-octanol
without odor
-5V
-1.5 witt odor
-4V
-1.0 -3V
Id(μA)
雖然這些系統比既有的偵測方法進Reaction) 的氣味
步，但在對氣味的選擇性與再現性感測器或光學
上仍有不足[5] 。金屬氧化物氣味感氣味分析儀，
-2V
Gate-Voltage Incresaed
-0.5
-1V
測器[6] 是在導電陶瓷薄片(Electrically-
Heated Ceramic Pellet) 半導體材料
上，披覆一層金屬氧化物薄膜，並
使在高溫下吸附氣味分子。當蒸汽
吸附在薄膜表面時，會產生電阻的
變化。不同的氣味依分子特性不
同，造成不同的薄膜電荷變化應答
而能辨別氣味。此類感測器由於牽
涉氧化還原反應，需要較長的反
應以及恢復時間，而且通常需在
400 ℃左右的高溫下運作，因此有
較高的功率消耗。對酸及硫化物氣
味有不可逆的結合反應是主要的缺
點。導電高分子氣味感測器將導電
高分子材料填充在狹窄的電極間隙
中，當氣體分子吸附在此薄膜內
時，會造成暫時性的導電度改變，
此改變值取決於導電聚合物內具活
性基之載體(Active Charge Carriers)
以及氣味分子的種類和數目，其優
0V
也具有選擇性0.0
不高或儀器龐
0
大且昂貴等缺
點。
上述電阻式的氣味感測器，在
感測氣體的過程中，只能透過單一
參數：即電阻的變化來判斷環境氣
體的狀況，因此在選擇性的建立以
及敏感度的提升兩大方面，都面臨
了發展的極限。相較之下，三端點
的場效電晶體不但可提供主動層薄
膜導電度的變化，還可以佐以閘極
電壓調控提高元件響應[7] ，並且提
供諸如臨界電壓、次臨界波動、載
子遷移率等多樣參數來作為感測信
號，形成多參數的氣體感測器，如
圖2所示即為閘極電壓對元件氣體
響應的影響；若再搭配有機材料作
為辨識材料，也就是製作成有機薄
膜電晶體，則不但可以利用不同有
10 20 30 40
OTFT 感測陣列以及電子鼻
不同有機薄膜對不同的氣體
反應行為不同，例如Bouvet et al. 發
表Phthalocyanine-Based OTFTs 對
臭氧氣體以及NO 2 氣體的反應是
造成元件的導通電流上升[8,9] ，原
因是臭氧分子或NO 2 分子吸附在
Phthalocyanine 表面後，進行了氧
化反應使電子轉移到臭氧分子或
NO2分子上，此時臭氧分子或NO2
分子扮演了電子接收者(Electron
Acceptor) 的角色，或者說臭氧分子
或NO2分子對Phthalocyanine 薄膜進
行了摻雜效應，使薄膜內的電洞濃
度上升，而提升了電晶體的導通
電流。另一方面，Torsi et al. 則利用
16
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
NTCDA
H2O / N2
Gate dielectric G
S D
Conducting substrate
到水分子會降低元件的導通電流，
而感測的靈敏度會隨有機薄膜的
厚度改變，這些研究並提出感測機
制是由於帶極性的水分子吸附在
Pentacene 薄膜的晶界上，這些極
性分子對載子產生了庫倫吸引力，
也就是形成了捕捉載子的缺陷中
心，從而降低了載子濃度。上述研
究都指出，適當地組合各種有機薄
膜製成的OTFT Array ，觀察他們對
氣體的反應，可以Mapping 出OTFT
Array 對氣體偵測的選擇性，例如
Crone et al. 所做的研究[7] ，他們使用
11 種不同的有機薄膜製成電晶體，
觀察這些電晶體對16 種不同氣體的
反應，結果可以得到如圖4所呈現
的氣體感測地圖，這樣的結果，其
實已經揭示了OTFT 感測陣列應用在
"油墨"(Ink) ，就可以像列印一張彩
色圖片一樣的製作出電子鼻，雖然
限於技術，該研究的有機元件主動
層仍然是利用旋塗或蒸鍍的方式製
作，但是他們利用三種主動層材
料(P3HT, Pentacene, and P3OT) 製作
OTFT ，組成測試晶片放入氣體感測
腔體中，利用印刷電路板接線來控
制並接收測試晶片上每一個元件的
信號，成功展示了此測試晶片分辨
氣體的能力。
有機薄膜型態
(Morphology) 的影響
由於有機薄膜成膜後多半呈
現多晶(Polycrystalline) 的狀態，薄
膜型態(例如晶粒的大小、表面平
整度等)會受到成膜時的製程條件
no
data
0.1
0.01
0
-0.01
-0.1
圖3 使用NTCDA-Based n-Type OTFTs 來做
濕度偵測。來源：Ref[10]
NTCDA-Based n-Type OTFTs 來做水分
子的感測，也就是濕度偵測[10] ，元
件結構如圖3所示，發現當濕度上升
時，元件的導通電流呈現下降的現
象，而且施加閘極正電壓可以大幅
提升元件的靈敏度和反應/回復的速
度，推論可能是閘極電壓產生的電
場可以增進水分子在有機薄膜上的
吸附，Torsi et al. 也清楚呈現OTFT 作
為多參數感測器的能力。
如表1所示，在Torsi. 的多參數
感測研究中，水汽(H2O) 對有機元件
的電導變化可用來觀測有機薄膜中
的水解與離子化過程，而載子飄移
率與臨界電壓的變化則可分析有機
薄膜中，缺陷分佈與載子濃度的變
化量。接著Zhu et al., Qui et al., and
Li et al. 使用Pentacene-Based p-Type
OTFTs 做濕度偵測[3,11,12] ，同樣觀察
電子鼻上的可能性；
果然在2005 年，Liao
et al. 就提出了OTFT 應
用在電子鼻上的概念
[13] ，指出各種Solution-
Based OTFT 可以利用
Inkjet Printing 的技術
製成電子鼻，使用各
種不同主動層材料的
vanillin
eugenol
1-carvone
toluene
octanethiol
octanenitrile
butanenitrile
2-octanone
2-heptanone
2-butanone
1-nonanol
1-octanol
1-heptanol
1-hexanol
1-pentanol
1-butanol
表1 有機薄膜電晶體在不同氣體環境下所萃取出來的相關參數。來源: Ref[10]
N2 O2 H2O/N2
塊材電導(s cm-1) 3.10-8 2.10-9 1.5.10-7
場效電導(s cm-1) 2.10-4 6.4.10-5 <3.10-5
場效遷移率(cm2V-1sec-1) 1.10-4 8.10-5 4.10-5
臨界電壓(V) -4 18 <-30
場效電導/塊材電導7.103 3.104 <2.102
pHTpOTpDDTa6TdHa6TdDDa6TdODa6TNTCDI-F7NTCDI-F15CuPcFCuPc
圖4 使用11 種不同的有機薄膜製成電晶體，觀察這些電晶體
對16 種不同氣體的電流上升或下降的反應所得到的氣體
感測地圖。來源：Ref[7]
DH6T 與1-pentanlo 反應
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
I d
1/2 (bg)-Ia (sig)1/2 (μA) 1/2
0 -1 -2 -3 -4 -5
Vg(V)
或成膜時的基板表面狀態強烈影
響，而氣體感測機制中，氣體分
子在有機薄膜的吸附能力是關鍵
之一，有機薄膜呈現的多晶、非緻
密的型態，使薄膜晶粒間的晶界
(Grain Boundaries) 很有可能是氣體
與薄膜反應的關鍵位置，而普遍存
在於晶界的缺陷，更可能藉由與
氣體的反應改變了晶界的缺陷分
布，從而影響了OTFT 的感測特性。
此類推論在Torsi. et al 的研究中獲得
進一步的證實[14] ，該團隊利用穿透
式電子顯微鏡分析Oligothiophene
有機薄膜晶粒大小，並嘗試改變
出通道長度變化從2.5 微米(圖6(a))
到45 微米(圖6(b)) 的元件，以調整通
道內的晶界數量，然後將這些元件
對1-Pentanol 氣體的電流反應繪製
如圖7所示，該研究清楚呈現出，
元件感測能力隨晶界數量上升而上
升，當通道內幾乎沒有晶界存在時
(例如通道長度很短的元件)，元件
就幾乎不對氣體分子反應，此研究
證實了晶界對OTFT 氣體感測能力的
影響。
奈米尺寸OTFT 之氣體感測
雖然前述微米尺寸的OTFT 就
圖5 改變有機薄膜的晶粒大小將影響元件對
氣體反應的電流－電壓特性。來源：Oligothiophene 薄膜晶粒大小與沉已經具有很靈敏的氣體感測能力，
Ref[14]
積條件，進行一系但是當元件微縮到奈米尺寸時，是
列的氣體感測實否可以更進一步放大感測信號，抑
驗，如圖5 所示。或會因為降低了通道內的晶界數量
他們發現晶粒的大而失去感測能力，是令人好奇的。
小以及薄膜的厚Wang et al. 製作了Pentacene-Based
圖6 Someya et al. 製作DHα4T-Based OTFTs 作為氣體感測元
度，是影響氣體反OTFTs 以及P3HT-Based OTFTs ，並且
件，變化元件的通道長度，如圖4所示，製作出通道長度變應特徵與速率的關縮小OTFT 的尺寸到奈米尺度，希望
化從2.5 微米(圖4(a)) 到45 微米(圖4(b)) 的元件，以調整通道
內的晶界數量。來源: Ref[15] 鍵，而具有越多晶可以藉此再提升感測的靈敏度[16] ，
界的Oligothiophene 不過研究結果發現，當有機元件的
1.2
1.2 DHα4T
Transistors ，對氣體通道長度微縮到和其晶粒大小差不
Normalized current
Time(sec)
0 10 20 30 40 50
1.2 的反應就越靈敏。
1.2
Someya et al.[15]
1.2
2.5μm
則製作DHα4T-Based
1.2
5μm OTFTs 作為氣體感測
0.5
45μm
0.5
元件，藉著變化薄
膜晶粒大小以及元
多時，也就是微縮到奈米尺寸時，
元件的感測機制將發生變化，如圖8
所示。
原本微米尺寸OTFTs 的導通電
流會因為氣體分子吸附而下降，
奈米尺寸的OTFTs 卻呈現相反的特
圖7 DHα4T-Based OTFTs 對1-Pentanol 氣體的電流反應，元件
感測能力隨晶界數量上升而上升，當通道內幾乎沒有晶界
件的通道長度，如性，其導通電流會在氣體通入後上
存在時(例如通道長度很短的元件)，元件就幾乎不對氣體分
子反應。來源：Ref[15]
圖6所示，他們製作升，主導元件特性的關鍵機制將
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奈米通訊
主題文章
Channel length
Grain Size~80nm
Grain Size~250nm
Channel length
60nm
150nm
450nm
1um
60nm
150nm
450nm
1um
Normalized Drain Current
0 10 20 30 40 50 60
0
1
2
3
0
1
2
3
Time(sec)
圖8 奈米通道有機元件在不同通道長度與晶
粒大小的氣體反應實驗。來源：Liang
Wang et al. / Apply. Phys.Lett. 85
(2004) 6386-6388
從有機薄膜電阻本身而轉換到金屬
與薄膜間的接觸電阻[17] ，由於金屬
功函數會因氣體分子的吸附而產生
變化，也連帶影響到了金屬/有機
介面的載子注入(Carrier Injection)，
該團隊推論，氣體分子吸附在金屬
/有機介面，會使載子的注入能障
(Injection Barrier) 降低，而增大了電
流，當元件的通道長度縮小，晶界
數量下降，晶界中氣體分子對載子
的捕捉( Trapping) 效應也變弱，相
對應的，金屬/有機介面呈現的注
入能障降低的效應就會開始主導整
個感測現象，所以我們就觀察到元
件導通電流上升的行為。也就是
說，OTFT 的氣體感測機制是多重
效應的加總，晶界的捕捉效應、注
入能障降低的效應是同時存在的，
而氣體分子是否和有機薄膜分子間
因為氧化/還原反應產生了摻雜現
象，也可能共存於感測現象中。綜
觀上述的研究，要實現奈米級的有
機感測元件，有機薄膜的結晶型態
與元件電極的配置，都會是重要的
挑戰。
有機生物感測晶片
在臨床醫學上，快速而簡易的
檢測技術對於許多疾病的監測與
治療有關鍵性的影響。而酵素晶
片、蛋白質晶片以及DNA 微陣列晶
片等生物感測晶片可以提供大量、
快速、準確的檢驗與篩選，這樣
的技術可以改變目前生化的實驗
方法以及未來的醫療型態。例如
DNA 微陣列晶片就可以有效的診斷
出基因的異常，從而發現細胞的病
變；各種酵素晶片也被應用在盤尼
西林(Penicilin) 感測器[18] 、尿素感測
器[19] 、葡萄糖感測器[20] 、乙醯膽鹼
(Acetylcholine) 感測器[21] 等用途上。
生物感測晶片包含了生物感測器、
感測信號讀取以及信號放大後處理
等等功能區塊，首先，生物感測器
對其目標物必須具有高度的選擇
性，因此需在這些感測器上固定化
特定的接受器(Receptor) ，利用接
受器和目標物之間高度選擇性的反
NANO COMMUNICATIONS
應，以及此反應所涉及的發光行為
或電荷轉換來放出感測信號；之後
再利用光偵測系統或電路系統來判
讀感測信號。
傳統的DNA 微陣列晶片因為不
包含換能器(Transducer) 部分，且數
據的取得需要經過多道清洗及替換
溶液的步驟，故不屬於生物感測器
的範疇，也不具有可攜性。為了發
展可攜式生物感測晶片，近年來許
多研究開始致力於電子式感測晶片
的發展，希望利用VLSI 技術製作可
微型化的場效電晶體陣列，利用
場效電晶體本身具備的信號放大特
性，來加速信號的應答；然而，醫
療上使用的感測器通常須製作成可
拋棄式的元件，否則重複使用感測
器可能會因殘存的記憶效應而混淆
了診斷結果，現今發展的無機半導
體場效電晶體，需施以共價接合方
式來固定化接受器，此過程耗時費
工，感測器又須使用完即丟棄，以
致於整體成本無法降低，也就難以
發展為普及的商品。因此，如何簡
化或加速接受器固定化的過程，成
為電子式生物感測晶片的一大發展
關鍵。
如前所述，有機薄膜是分子型
態排列而成的薄膜，其多孔隙的性
質有助於接受器的固定化或是生化
反應後一些離子型態反應物的滲
入，有機材料官能基的變化也是調
控感測機制的因子，例如:Gregg et
al. 提出利用含Os 複合體的聚合物，
接合酵素(Enzyme) 後固定化在電極
上以檢測葡萄糖[22] ，也有大量研究
發現當導電聚合物和電解溶液接觸
時，電解溶液中的離子會部份滲透
到導電聚合物中，對導電聚合物的
導電性產生極大的影響，因此，若
在電解溶液中進行生化反應產生離
圖9 Macaya et al. 提出的OECT 葡萄糖檢測
器。來源：Ref[23]
Pt Gate Electrode
Analyte
Solution
PEDOT
Source
Drain
PDMS Well
R/R0
10
1
Chemiresistor
Vg = 0.6V
Vg = 0.1V
0.001 0.01 0.1 1 10
Time(sec)
圖10 施加閘極電壓可以調整電晶體輸出電流
對葡萄糖反應的強度。來源：Ref[23]
ssDNA molecules
圖11 Pentacene-Based OTFTs 所製作的
DNA 感測器。來源：Ref[24]
Gate
Pentacene
S D
oxide
子， 就可以藉由導電聚合物的電性他們提出可以不用共價鍵結方式，
變化來解讀此生化反應。這樣的發而利用物理吸附來固定化DNA ， 如
現， 帶來了大量有機電化學電晶體圖11 所示， 因為Pentacene 分子是
(OECT) 在生物感測上的應用， 例如疏水性材料，DNA 也是疏水性的材
Macaya et al. 提出的OECT 葡萄糖檢料， 所以他們直接將含有DNA 的緩
測器[23] ， 如圖9所示， 在導電聚合衝液滴在Pentacene-based OTFTs 上
物PEDOT：PSS 通道上， 利用PDMS 方， 利用兩種疏水性材料間自然的
製作出聚合物方框， 然後將含有吸引力， 並提供適當的Pentacene
葡萄糖以及Glucose Oxidase (GOs) Morphology ， 使DNA 分子進行物理
的緩衝液Phosphate Buffered Saline 吸附， 然後去除緩衝溶液， 就完成
(PBS) 置入PDMS 方框中， 葡萄糖會了固定化； 進行DNA 分子感測時，
和GOs 反應產生葡萄糖酸(Gluconic DNA 分子間的雜交(hybridization) 也
Acid) ， 進而改變PEDOT 的導電度，利用OTFT 電極產生的電場來加速。
由白金製做的閘極電極探入緩衝液這個研究成果成功的展示了OTFTs
中， 可以施加電壓來使電晶體導通發展成生物晶片的雄厚潛力， 也讓
或關閉， 如圖10 所示， 施加閘極電我們看到有機電子元件應用在生物
壓可以調整電晶體輸出電流對葡萄感測器上獨特的優越性。
糖反應的強度， 也就是說， 電晶體
導通時， 感測信號被放大了。雖然結論
OECT 已經可以成功進行多種快速本文簡要回顧了有機電晶體應
且靈敏的生物感測， 然而， 電晶體用在氣體感測和生物感測上的發
閘極無法直接製作在元件上， 而是展過程， 並介紹有機薄膜電晶體
必須由外加的電極探入， 在偵測環(OTFTs) 在電子鼻和DNA 晶片上的研
境的控制上增加了難處， 因此， 如究成果。隨著軟性電子相關技術的
何能直接使用OTFT 來製作生物感測開發，OTFTs 不管在電特性、操作
器， 仍然是許多研究努力的方向。電壓、製作方法上都有很多新的突
近日，Zhang et al. 提出了重大破， 本文希望從高附加價值的氣體
的突破[24] ， 他們成功使用傳統的/生物感測器著眼， 來思考OTFTs 發
Pentacene-Based OTFTs 製作DNA 微展為臨床醫療使用的可拋棄式檢測
陣列晶片， 並提出多項關鍵技術突器的可能性， 並和傳統無機場效電
破。首先， 在OTFT 上方， 他們利用晶體相比較， 介紹OTFTs 所具有的
PVA 材料搭配傳統微影製程來製作分子型態有機主動層在提升感測選
微流道； 在DNA 固定化的技術上，擇性時可使用的幾種加工或固定化
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2007.10 十四卷NO.3
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主題文章
NANO COMMUNICATIONS
技術，以突顯出OTFTs 發展為氣體
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互補式金氧半導體晶片
於生物醫學之應用
江漢平1、張文穎1、蔡昆熹1, 2、林明瑜1, 3、林俐如4
1交通大學生物科技系暨研究所、2中國醫藥大學附設醫院急診部、
3國家實驗研究院儀器科技研究中心、4交通大學智慧型仿生系統研究中心籌備處
摘要
在21 世紀中，生物科技與電
機資訊的結合是必然的趨勢。生
物感測電子晶片就是生物科技與
電機資訊結合下的產物，有成
為一項大量、快速、準確的檢測
與篩選工具的潛力，對於醫學診
斷、藥物篩選、病體檢測，以及
後基因時代對於蛋白質體的研
究，它將提供一項嶄新的視野。
本文中將介紹標準互補式金氧半
導體製程製造的感光二極體，與
積體電路整合的光學式生物感測
器，用以定量酵素冷光反應，進
行酵素活性分析，其效能表現不
亞於傳統大型生化檢測儀器。未
來可以整合微流體晶片技術與血
液分離模組，發展微小化生化及
免疫檢測系統，進行連續即時
檢測，應用於居家及床邊照護
(Point of Care) ，預期將大幅改善
急重症醫療方式，更可應用於許
多相關之臨床醫學研究。
前言
隨著現代科技的日新月異，繼
資訊科技產業興盛之後， 生物科技領域作為理論基礎， 並且集合多
已經被世界各國公認為是21 世紀最功能、微小化、模組化以及量產
具發展與應用潛力的明星產業。在化等特性， 廣泛應用於不同範圍，
後基因時代， 隨著人類基因體草圖且具有精確度高、單位成本低、輕
的解讀完成與蛋白質體學的日趨重柔運作、運作速度快、多功能與智
要， 基礎醫學研究帶動了生物醫藥慧化等特性與優勢。以微機電技術
相關產業的研發， 許多疾病因子陸結合半導體製程於生物感測器的設
續地被發現， 衍生出許多疾病的標計以及生成， 可克服傳統生物感測
識物， 相對的檢驗項目也大量產器所不能， 更貼近未來大眾使用的
生。另外， 高齡化社會的來臨， 加市場需求。目前傳統的生醫檢測方
上人類追求「長壽與健康」趨勢發式， 大多數仍以大型儀器為主， 不
展環境下， 未來的生技產業成長空但體積大、價格昂貴， 使用上除了
間是無限的。生物科技應用範疇涵必需由專業人員來操作外， 有些甚
蓋眾多領域， 舉凡農業、畜牧、食至需要高電壓的供應， 非常不方
品、能源、環保、醫療及診斷試劑便。雖然有部分小型的OTC (Over the
等等[1] ； 而與人類生命健康最直接Counter) 生物感測器已商品化， 其靈
關係的醫藥生技， 更正被全方位的敏度與特異性仍無法滿足需求。有
開發。由於電機資訊的蓬勃發展，鑑於此， 為了解決多變化的生物學
結合生物科技與電機資訊的生物感問題， 發展高效能、高準確性、快
測器遂成趨勢。速分析檢測、易於積體化之精密儀
隨著科技的發展日新月異，器， 如何以生化方法分離、純化甚
今日生物感測器的需求， 也愈益或設計合成特定的生物活性分子，
追尋精準、可攜式以及友善的操結合精確而且回應快速的物理換能
作介面。微機電技術(Micro-Electro
器組合成生物感測器反應系統， 實
Mechanical System, MEMS) 為跨領為研究生物感測器之終極目標。
域的新興科技， 不僅整合電子、光學式生物感測器具有高靈敏
化學、機械、生醫、光電等不同度、方便操作、高準確度， 以及
22
2007.10 十四卷NO.3
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廣泛的偵測能力等優點， 在生物感要取得折衷[3] 。很多光學生物感測
測器發展中漸成趨勢。現今的電器以光纖技術發展， 利用波導介質
子設備已可準確量測光訊號[2] 。因傳導經固定化酵素反應後產生的光
此， 許多生物分子經由化學反應或訊號至光電倍增管以偵測光訊號。
經酵素催化反應後， 可與發光反應此種偵測方式需要昂貴的設備， 比
連結， 量測反應所生成的光訊號，如光電倍增管以及相關的偵測設
再藉以分析光訊號所代表的生物備， 則限制了光纖感測器用於發展
分子數量。許多重要的生物分子，簡單操作、可攜式的感測器的應用
例如血糖、膽固醇、尿酸等， 都可條件。若以發展微型光學感測器為
以藉由酵素法氧化待測物， 再以產目標， 感光二極體則可用以取代光
物如過氧化氫進行光學反應， 進行電倍增管的功能， 並可以直接偵測
定量。本文針對整合感光二極體自發性的化學冷光訊號。雖然部分
(Photodiode) 的光學感測元件， 來化學冷光反應需要較低的偵測極
討論CMOS 光學式感測器未來於檢限， 但整合感光二極體的光學感測
測與臨床醫學的應用。晶片， 可成為擁有完整感測以及傳
導訊號裝置的感測系統[2] 。
感光二極體
二極體是一種最簡單的半導體C M O S 光學式生物感測器
元件， 是由一層P型材料和一層N 的發展潛力
型材料合成的兩端元件， 當P端的CCD(Charge Coupled Device，
電位較N端高時， 電子易由N向P端感光耦合元件)與CMOS 感測器是當
流， 而電洞則反之， 如此構成順前最被普遍採用的兩種影像感測元
向電流； 若相反的則為逆向電流。件， 基本上兩者都是利用感光二極
當光照射到半導體的PN 接合面，體進行光與電轉換， 將影像轉換為
生成電壓， 受光源見以此光電效果數位資料， 而其主要差異則在數位
而動作， 是一種將光能轉變成電能資料傳送方式的不同。由於反應產
的轉換器。感光二極體有兩種重要生的光變化或電阻值的變化量很
的特性:量子效率和反應速度。若小， 用光學或電學來定量生物晶片
要增加入射光產生電子-電洞對的上酵素的反應， 需要有高靈敏度及
效率， 空乏區要厚； 但是高速工作準確度的感測晶片。過去此類晶片
空乏區要薄， 才可以此降低過境時發展侷限於日本的CCD 技術， 需要
間。因此在反應速度以及效率之間耗費大量的電力， 在光強的地方會
有Blooming 效應，傳輸的過程不能
有損壞的元件，以及面臨與後段採
用CMOS 製程製作的訊號處理電路
整合上的困難，使得CCD 元件產生
使用上的瓶頸，製作成本貴且技術
複雜，故不易應用於生物晶片的設
計上。但近年來，CMOS 光感測晶
片發展已趨成熟，可藉由低成本且
很普遍的CMOS 製程製造的CMOS 光
感測元件，將影像感測器和影像訊
號讀出電路做在同一陣列當中，將
可減少整合上的問題。而這些光感
測器所產生的雜訊、對光強弱的敏
感度、漏電流和彼此間相互影響的
效應將會決定整個讀取品質[4] 。
在固態影像感測器的發展中，
始自1926 年的陰極射線管，以往的
電子影像感測器是以不同技術製
成。1960 年，由於矽平面技術出
現，光電二極體被合併整合至放
大電路系統。1967 年，第一個自掃
瞄固態金氧半導體(MOS) 光電二極
體陣列被製成。1970 年，不同適於
發展影像感測的矽金氧半導體技術
興起，最廣為熟知的是CCD 技術。
相較於早期的MOS 陣列，CCD 戲劇
性的品質改善使之成為近30 年來
成像的選擇。MOS 成像沉寂了一陣
子，但其間，MOS 的生產技術持續
朝向今日的主流"亞微米CMOS 技術
"形成，今日大部分的固態電路系
統是以CMOS 技術製成。無所不在
的CMOS 以及過去數十年的技術演
Chemiluminescence
(a) (b)
800
600
400
200
0
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16
HRP(unit)
Chemiluminescence
3000
2000
1000
0
0 4 8 12 16
H2O2(mM)
Km = 1.08±0.05mM
圖1 以CMOS 光感測晶片為基礎的生物光學式感圖2 (a) 以Hitachi-F4500 測得之山葵過氧化酵素(HRP) 線性範圍；(b) 以Hitachi-F4500 測
測系統。得之雙氧水濃度對反應速率的曲線(Michaelis-Menten Plot) [8] 。
[7]
進，使CMOS 品質可以比擬CCD 。表1 可經由特定酵素催化產生過氧化氫(H2O2)的臨床生化檢測物。
CMOS 在低階市場的地位取代了
CCD 的佔有率，在高階市場中也逐
漸扮演著重要角色[5] 。
利用CMOS 光感測晶片進行光
學偵測，且運用於酵素反應感測上
十分可行。在過去的研究中，交通
大學生物科技與電子工程研究所合
作建立一套以CMOS 光感測晶片為
基礎的生物光學式感測系統(圖1)，
利用山葵過氧化酵素(Horseradish
Peroxidase, HRP) 催化冷光物質胺基
苯二醯井(Luminol) 與過氧化氫(30﹪
H2O2) 的反應(反應1)[6] ，使胺基苯二
醯井由激發態回到基態並放出化學
放光，產生3-Aminophthalate 、氮氣
和425nm 波長藍光。偵測冷光光度
的變化，即可藉由光訊號的強弱推
估待測物濃度。圖2與圖3分別是傳
統利用光電倍增管(Photomultiplier
Tube, PMT) 的光學感測儀器
(Hitachi-F4500) 與CMOS/HP4145 光學
感測系統所測得之山葵過氧化酵素
的生化反應條件，以及與過氧化氫
的酵素動力學常數，我們可以發現
Target Enzyme coupled H2O2 producing reactions
Glucose Glucose oxidase Glucose+O2+2H2O
Glucose oxidase
Glucose acid+2H2O2
Uric acid Uricase Uric acid+O2+2H2O
Uricase
allantoin+CO2+2H2O2
Cholesterol Cholesterol oxidase Cholesterol+O2
Cholesterol oxidase
cholesten-3-one+H2O2
Lactate Lactate oxidase L-Lactate+O2
Lactate oxidase
pyruvate+H2O2
Phospholipids
Phospholipids/
Choline oxidase
Phospholipids H2O
Phospholipase
Fatty acid+Choline
Choline+H2O+2O2
Choline oxidase
betaine+2H2O2
Triglycerids
Lipase/Glycero
l oxidase
Triglycerids+3H2O
Lipase
Fatty acid+glycerol
/Lipase Glycerol+O2
Glycerol oxidase
glyceraldehyde+H2O2
兩者得到的數據十分接近[7, 8] ；在生
化反應的設計上，偶合葡萄糖氧化
酵素(Glucose Oxidase, GOD) ，便可
催化葡萄糖而產生過氧化氫(反應
2)[7] ，再經反應1產生冷光，藉由偵
測冷光光度的變化，即可推估葡萄
糖(待測物)的濃度。同樣比較兩種
感測平台，我們也能得到接近的葡
萄糖氧化酵素對葡萄糖的酵素動力
學常數(圖4) 與偵測極限[8, 9] 。
根據上述結果，我們可以證明
CMOS 光學感測器可應用於偵測化
學冷光的生化反應並定量待測物，
是高效能的光學偵測感測器[9] 。以
此特點發展微型的CMOS 光學生物
感測器，不僅可以表現高偵測力，
快速反應以及具有高度再現性，
更具有少體積的樣本需求。因為
CMOS 光感測晶片可以使用標準半
導體製程，透過IC 的設計，使大量
生產成本非常低廉[10] ，加上與積體
電路結合後效率高，將有助於改
善傳統大型生化檢測儀器(如PMT 式
光學感測儀器)體積大、使用高電
壓、成本高昂，以及不適用於一般
使用者的等等缺點，所以有相當的
潛力可以取代現有的傳統大型生化
檢測儀器。
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2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
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NANO COMMUNICATIONS
(a) (b) 靜脈管，定時定點取出血液，再利
0.00 0.04 0.08 0.12 0.12
1200
Current (Pico-Ampere)
Km = 0.99±0.05mM
增加晶片使用壽命，在經過非接觸
800
Current (Pico-Ampere)
用介電泳方式減少血球凝集管壁，
100
式高波長雷射將血球血清分離，再
400
將血清導入血糖及時檢測晶片中
00 4812 16 (圖5) ，未來此裝置不但可以結合其
HRP(unit) H2O2(mM)
他生物試劑，開發可擴充性多功能
圖3 (a) 以CMOS 光感測晶片測得之山葵過氧化酵素(HRP) 線性範圍；(b) 以CMOS 光感測晶
片測得之雙氧水濃度對反應速率的曲線(Michaelis-Menten Plot) [8] 。生化及免疫檢測如CK-MB, Alkaline
Phosphatase, Amylase, Troponin I/T，
(a) (b)
Current (Pico-Ampere)
Km = 1.08±0.05mM
BNP 以及進一步結合其他半導體製
3000
Chemiluminescence
2500
程相容之感測器如IS-FET ，進行連
2000
續即時之鈉鉀離子檢測。生物科技
1500
1000
結合半導體微機電系統應用在臨床
500
醫學如果可以將血糖連續監測實現
0
0
0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60
Glucose(mM) Glucose(mM)
圖4 (a) 以Hitachi-F4500 測得之葡萄糖濃度對反應速率的曲線(Michaelis-Menten plot)；(b)
以CMOS 光感測晶片測得之葡萄糖濃度對反應速率的曲線[8] 。
未來疾病檢測與臨床醫學一個相當棘手的問題， 新英格蘭雜
的應用誌中就曾經發表建議嚴格地將血糖
CMOS 光學式生物感測器已被初控制在80~120mg/dl 之間[11] ， 證據
步證實具備與傳統大型檢測儀器相證明嚴格地控制血糖相較於傳統上
仿的性能， 而我們更能根據不同的高於215mg/dl 之後再降血糖可以將
待測物來設計專一的生化反應， 表1 死亡率由8.0% 降低至4.6% ， 因此各
列舉可利用化學冷光法來偵測的疾個醫學會中就一直有著迫切的希望
病指標物或臨床醫學檢測物[7] ， 利用有著自動連續血糖偵測與控制系統
酵素的專一性， 設計氧化酵素及過的誕生的聲音。
氧化酵素之偶合雙酵素反應， 建立因此我們提出一個微流體晶片
同時間檢測多種生化反應的平臺。傳輸系統、可抽換式葡萄糖呈色/化
在急重症治療中， 血液中葡萄學冷光分析晶片以及高波長雷射血
糖的濃度控制是一個嚴肅的課題，球/血清分離器三個關鍵技術整合成
高血糖與胰島素抗藥性在極度病危一自動、即時且連續之血液葡萄糖
的病人中相當常見， 就算是之前沒檢測系統。在量測血液中葡萄糖前
有糖尿病病史的患者之中也依然是先利用微流體晶片結合現有床邊之
在血糖控制的患者身上，未來結合
胰島素自動給藥與連續監測，模擬
人工胰島系統將會為臨床醫療帶
來相當深遠的衝擊與影響。相信
CMOS FET 感測元件不僅可以應用在
血糖連續監測的用途之上，省電快
速的特性更可以用來發展可攜式免
疫螢光檢測醫療儀器，發展鉀離子
與Troponin I/T 快速檢測模組將是我
們完成建制血糖測量模式的下一個
主要課題。
結論
今日，生物感測器的發展，在
經濟效益與使用便利性的考量下，
逐漸朝向以低成本、多功能、微小
化、可攜式，及平行處理之晶片概
念為主軸的感測系統。以標準半
導體製程生產的CMOS 光學感測元
件，除了能夠符合上述的優點外，
在感測上的高效能表現，也說明了
不久的將來傳統大型檢測機台將被
個人化臨床檢測儀器所取代[12] ；而
CMOS 光學感測元件、積體電路、
微流道晶片傳輸系統，以及高波長
雷射血球/血清分離器的整合，配
合不同生化反應的設計，將可同時
連續即時的偵測多種重要的指標性
生物分子，對於未來從個人居家使
用到臨床醫學、急重症治療，都將
是革命性的發展與突破。
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26
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
自組裝單層膜(SAM) 技術
在新生物晶片上的發展
張哲魁1、葛威成2、張正宏2、陳惠民1
1國家奈米元件實驗室、2交通大學物理所
摘要
「新」生物晶片(與舊有生
物晶片有別)為當今革命性的醫
療檢驗及後基因體應用的主要技
術之一，也是目前生技產業的
重點發展課題，是產業界的新寵
兒。新生物晶片的研究需結合與
運用諸如電機、機械、物理、化
學、生物、生物化學及分子生物
等科學為基礎，以矽晶片、玻璃
或高分子為基材，結合微機電與
生物醫學技術，所製作出的高科
技元件與系統。它的優勢是可在
微小面積上或裝置上來進行生物
性的反應或分析，是生物技術中
一項非常重要的里程碑。它可用
來大量篩檢藥物、檢測病原體、
處理血液、組織及植物等樣品，
或用來進行生化或酵素等反應及
分析生物體組成成分等，因此應
用範圍相當廣泛。它的特點乃朝
微小化工廠(實驗室)概念進行，
技術層次高，可以在同一片晶片
上同時處理多種樣品並進行快速
之生化感測反應。然而，其關鍵
技術乃在於如何使生物分子(例
如：DNA 或蛋白質)穩定且有效
地固定於晶片表面上並維持其
在固/液/氣相介面達到固定化及
展現活性的表現。因此，表面
化學(Surface Chemistry) 的最佳
化(Optimization) 技術將是發展生
物晶片所要面臨的ㄧ大挑戰，
而自組裝單層膜(Self Assembled
Monolayer, SAM) 即在生物晶片技
術發展中，伴演著「承先啟後」
中間端關鍵技術的首要研究課
題。
自組裝單層膜之技術發展
與應用
自組裝單層膜技術為製備有
機超薄膜的一種新型分子組裝技
術。分子可在溶液(Liquid Phase
Deposition) 或氣態中(Molecular
Vapor Deposition, MVD) 自發通過化
學鍵而牢固地吸附在固體基底上，
並藉著分子間凡得瓦力、氫鍵聚集
結合而形成有次序的、緊密的單分
子層，是奈米級超薄膜
的一種(圖1) 。固體基質
表面便可藉此單層的有
機分子將基質進行修飾
成為具有官能基(Functional Group)
的表面，此末端官能基可主導SAM
的性質，以期增加修飾面之選擇性
及功能性。自組裝單分子膜的特徵
與優點在於：由於製備簡單、性能
穩定、與基質結合性能好的特性，
可在任意形狀的表面形成膜狀構
造、被破壞的膜具有自我修補(Self-
Repair) 與自我復原(Self-Healing) 的能
力、少量的材料、可使大面積表面
包裹ㄧ層分子膜、以及有較高的堆
積度。與其它單層膜相比，它們具
有製備條件簡單、有序度高、穩定
性好、缺陷少等優點，而且還具有
熱力學穩定、能量較低、易於用近
代物理和化學的表徵技術研究等特
點，也便於調控膜結構和性質的關
係。因此自組裝單分子膜是研究有
關表面和界面各種複雜現象的理想
模型體系。這類超薄膜的研究發展
對於在非線性光學、材料科學、生
物學及光化學等領域有重要價值，
endgroup
backbone
headgroup
substrate
(Surface Modification) 而圖1 自組裝單層膜之分子結構示意圖。
並可應用於超分子結構的組裝、分
子電子、半導體及生物晶片上。
如上圖所示，不同材質的晶片
可利用不同的技術形成多種自組裝
單層膜：例如可藉由SAM 的研究來
發展生物晶片中蛋白質在晶片表面
上與單層膜作用後固定化的技術。
常用的晶片材質及形成自組裝
單層膜的物質有:
1. 鍵烷酸分子(Long Chain Carboxylic
Acids) 可在鋁、銅和銀的氧化物上
形成單分子模。
2. 矽烷分子(Organo-Silane) 在氫氧化
的矽表面上(單晶矽、玻璃、雲母)
藉由聚氧烷的網狀結構,通過共價
鍵形成穩定而牢固的單分子膜。
3. 烷基硫醇(Organosulfur-Based
Species) 在惰性金屬(Noble Metal)
金(Au) 、銀(Ag) 、銅(Cu) 、白金(Pt)
表面形成穩定的單分子膜。
其中烷基硫醇化合物
(Alkanethiols) 自組裝單分子膜是最
有代表性和研究最多的體系，具
有硫醇基(-SH 基)的化合物分子可藉
有機反應在金(Gold) 表面上形成自
組裝單層分子；金為極穩定的惰性
金屬，比其他金屬不易氧化，而且
金微粒子在奈米級的光元件以及在
半導體製程中的佈線為不可或缺的
材料，例如：可將金屬奈米粒子
沉積在例如玻璃等的基板上，利
用金屬奈米粒子來自電漿共振模
式(Surface Plasmon Resonance) 的吸
光特性會強烈受到表面吸附分子的
影響特性，可作為感測器之用。因
此，當金層表面的特性被形成自組
裝單膜的烷基硫醇化合物分子控制
後，可進行化學介面及導電特性的
研究。若藉由烷基硫醇化合物分子
控制後，可進行化學介面及導電特
性的研究。若藉由烷基硫醇化合物
固定住DNA 、蛋白質等生物分子，
便可在積體光電元件和生物技術的
結合之中達到橋樑作用，進而加速
生物晶片的發展。
利用自組裝技術發展生物
晶片之優點
隨著人類基因圖譜已於本世紀
初解讀完成及可能促使生物製藥的
快速發展，勢必將生技產業帶入另
一波高潮。不論是目前或未來研究
方向，都將著重在基因密碼(序列)
的功能解讀和病原體分子生物檢
驗；基因功能的解讀需要一個可以
平行篩檢大量生物訊息的工具，病
原體的偵測需要一個精確、靈敏的
檢驗工具，而生物晶片的功能則可
以完全符合這些要求，是本世紀不
可或缺的醫療檢驗及研究的工具。
然而，發展生物晶片所涉及技術層
面廣泛，範圍包括高分子產業的
材質(表面化學技術)、IC 產業的製
程、光電自動控制產業的影像辨識
及自動控制系統及生物技術產業的
各項尖端技術，負有整合相關產業
和延伸相關產業發展的重要使命，
而自組裝單層膜技術又是發展生物
晶片「承先啟後」的關鍵技術，因
此利用自組裝技術發展生物晶片有
其優先考慮的必要，而其優點可簡
述如下:
1. 由於其在分子尺寸、組織模型和
膜的自然形成方面與天然生物膜
有類似之處，具有仿生及生物兼
容特性。因此要認識生命現象，
首先必須了解發生在生物膜上的
反應。例如：能量的傳遞以及生
物膜上的電子轉移和氧化、還原
過程；以及人和動物的代謝作用
以及各種生理現象處處都有電流
和電位的變化產生；此外生物電
的起因可歸結為細胞內外兩側的
電位差，因此膜體系的電化學研
究具有十分重要的意義。由於生
物膜的組成、結構和功能的複雜
性很高，在進行觀測和研究是十
分困難的，所以在實驗室製備其
模擬體系是進行各種研究的基礎
和前提，若能形成具有特殊功能
的單分子層結構，對模擬生物介
面的研究有重要意義。
2. 由於其具有分子識別功能和選擇
性，可利用SAM 表面末端不同官
能基之特異性來研究蛋白質的吸
附作用，並可將具電活性的蛋白
質固定於SAM 上，能消除在電化
學測量中質量傳遞的影響。
3. 可調節硫醇鍵的長度以控制蛋白
28
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
質的活性中心與晶片之間的距
離。
4. 硫醇可控制電流的增容，並且硫
醇分子間的自組裝可將各個導電
器件連為一體，由於安裝的電體
數量越多，使得晶片傳輸資訊的
速度會越快。
自組裝單層膜技術結合蛋
白質固定化技術之發展
目前蛋白質固定化技術可分為
物理吸附與化學修飾兩種。物理吸
附的機制為蛋白質以疏水性或靜電
作用力與基材間產生吸附，但將蛋
白質直接固定在金屬表面上會因變
性(Denature) 而導致降低活性的可
能(圖2(A)(B) 所示)。但採用化學修
飾法，即所謂自組裝單層膜技術，
則可將蛋白質分子利用共價鍵結方
式固定於SAM 上，因此避免蛋白質
分子與晶片表面間的非專一性吸附
(如圖2(C) 所示)，故可穩定蛋白質
的結構與活性。而採取生物分子
與SAM 彼此間的專一性鍵結(例如:
Streptavidin 與Biotin) 將有助於生物
分子的同向化(圖2(D) 所示)，進而
提升藥物篩選或生醫檢測效率；另
外，採羧基化葡聚糖(Dextran) 以修
飾金面，由於其在水溶液中以類似
溶液分子的狀態存在，因此有利於
蛋白質以自然構形進行固定化，且
經由葡聚糖羧基化將有助於固定化
量的增加而提升感測範圍。
(A)
(C) (D)
Adsorption / absorption Diffusion
(B)
Covalent cross-linking Affinity attachment
Current Opinion in Chemical Biology
圖2 生物分子(如:蛋白質)固定於基材上可能所採取之不同固定化技術。
自組裝單層膜SAM 成長機式來看結果。當1 < r < 3 ， 人口密
制的理論探討度會成為一個定值， 而當r = 3.3，
人口統計模型人口密度會穩定的成為兩個定值，
(Population Model) 也就是說一個世代是存在於一個較
自組裝單層膜的晶體成長可以高的人口密度， 下一個世代則會變
人口統計的模型來作其理論上的描成較低的人口密度就在這兩個狀態
述。數學上的表示可以寫成：下做周期震盪(Period Doubling) 。
xn+1 = rxn(1-xn) (1) 當我們將r 值提高就會產生四個
這個式子叫做L o g i s t i c 定值，8 的定值。如果我們將人
Equation 。其中xn 定義為0 ~1 的數口密度對r 作圖就會得到所謂的
值， 代表第n年的人口密度。xn+1 就Bifurcation Diagram ( 圖3)
是第n+1 年的人口密度，r是一個大圖3 所示就是非線性力學與
於0的數， 代表成長速率xn+1 ~ r xn。混沌理論的圖標。它告訴我們當
由於系統的資源固定， 當人口密度成長率大於4.699… Feigenbaum
成長到一個最大值， 這邊最大值為Co n s t a n t [ 1 ] ， 人口密度將無法預
1， 就會開始有負成長的現象， 因測， 它可能會很成功的存在， 也可
此xn+1 ~ (1-xn)， 所以r其實也代表淘能完全滅亡。
汰率， 也就是說成長速率越快， 淘Fisher's Population Model Equation
汰速率也越快。為要更貼切地描述自組裝單層
這個模型可以用數值疊帶的方膜晶體成長的理論， 首先我們將人
29
口統計模型Logistic Equation xn+1 =
r xn(1-xn) 改寫成x/ t = rx - rx2，然
後再將x改為Φ(x)；將r改成k1，k2
代表成長率與抑制率並不一定相等
的較廣義的定義。而通常製作SAM
都是在溶劑中，靠擴散的現象讓
monolayer長在基座上面。因此要
將擴散項.2Φ(x) 再加進來成為：
Φ(x)/ t = D.2Φ(x) + k1Φ(x) -
k2Φ2(x), (2)
這就是著名的Fisher Equation，
k1為自動催化的反應常數，代表
SAM的成長速率；k2為分子間所存
在的非線性交互作用，它代表了抑
制SAM的成長，也就是抑制成長的
速率。有很多的論文報告提出描述
SAM可以用這個模型來描述，數值
上，Fisher's Equation 的解可以寫成
下列形式：
Φ(x) = Φ*[1-(1/2)tanh(xf/w)],
where xf = x - ct (3)
這個解的形式就是一個向擴散
方向前進的波前，w代表這個波前
的寬度，近期的論文中Douglas[2]
也發現波前寬度w會隨著反應時間
變寬，這個現象代表SAM在成長過
程中會一直受到周圍鄰近分子的影
響。微觀上我們可以將改變幅度用
(x – ct)/tβ來分析，β是重整化群的
指數。
從微觀的角度來看，每個分子
就很像受到彼此的隨機碰撞。這樣
的隨機碰撞在系統結構比較大的時
候是可以看成
互相抵消而忽
略， 可是S AM
的結構是單層
分子， 基本上
是以一個分子
為單位自組於
基板表面， 因
此微觀性質變
成很重要。然
而描述隨機作
用力的理論
K a rda r -Pa r i s i -
Zhang[3]在1986
年從L angev in
Equation[4]出發
來探討隨機(噪
音)項造成成長
介面消長的近
似行為， 也提
供了重整化群
的指數β的推
導方式。
1995年Riordan5 用數值的方
法算出β= 0.272 ± 0.007。2001年
Moro6應用K-P-Z以及數值模擬的方
法算出β理論值事實會與材料表面
反應係數 k1， k2 有關。這也跟近
期Douglas2 的實驗發現不同的SAM
材料會有不同的β(圖4)。
這個實驗成功的驗證了理論的
預測。Douglas也提出這樣的機制
也很有可能可以用來解釋生命的起
緣，因為基板與分子存在了鍵結能
力 (k1)可以將分子抓住， 但是分子
間又有抑制(k2)分子與基板鍵結的
能力。把這樣的關連性看在生命體
成長與抑制成長有性與無性生殖方
面可能是有意義的。因為最終它會
給我們一個成長波前，而波前成長
的速度可以決定該生命體是否成功
擴散。因此，利用SAM這個中間端
技術，我們可以用來研究分子與基
板以及分子間的交互作用，觀察分
圖3 人口密度與成長率(或淘汰率)的互動關係。
圖4 單層分子在晶片擴散成長中與在微觀分析上不同重整化群指數的
關係。
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
x
r
2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0
C=0.01
β=0.37
C=0.018
β=0.28
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0 10 20 30 40 50 -1 0 1 2 3 4
Position on substrate (mm)
tF8H2 fractional coverage mF8H2 fractional coverage
a b
c d
3'
5'
7'
10'
15'
20'
NO.3
30
2007.10 十四卷
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
Letters, vol. 75, 565, 1995.
[6]Esteban Moro, Physical ReviewLetters, vol. 87, 238303, 2001.
子在自然狀況下怎樣重整排列。這
也是我們這個團隊所要進行的研究
課題之ㄧ。
結論
目前對於自組裝單層膜SAM 技術
的研究已經發展到了一個嶄新的階
段，也出現許多新穎的研究體系，
例如從二維平面擴展到一維和三維
空間以及有機、無機複合體系，並
從單純研究自組裝單分子膜的性
質、結構等擴展到利用此技術對其
它研究工作起到推動和促進作用，
如物理學家利用自組裝技術構築量
子點進行量子力學方面的研究。自
組裝單分子膜及其技術是極具前景
的一個科學研究領域，它亦是如前
所述是發展「新」生物晶片的關鍵
性中間端技術，相信在不遠的將來
它會取得更多、更好的成果。
參考文獻
[1]Steven H. Strogatz, NonlinearDynamics and Chaos, Addison-
Wesley, 1994.
[2]Jac F. Douglas, PNAS, vol. 104,10324, 2007.
[3]Mehran Kardar, Giorgio Parsi, Yi-
Cheng Zhang, Physical ReviewLetters, vol. 56, 889, 1986.
[4]Fundamentals of Statistical andThermal Physics, McGraw HillNew York, See section 15.5Langevin Equation, 1965.
[5]Jason Riordan, Physical Review
光電技術在奈米生物科技的應用：
利用雷射鑷夾與原子力顯微鏡研究
第三型線毛的機械特性
陳豐榮1、古孟晏2、蘇益志2、詹佳翰2、黃盈蓉3、許根玉1、劉承賢4、游萃蓉5、張晃猷6、彭慧玲3、
徐琅2
1國立交通大學光電工程所、2國立交通大學電子物理系、3國立交通大學生物科技系、4國立清華大學
動力機械系、5國立清華大學材料科技系、6國立清華大學生命科學系
摘要與寄主細胞之交互作用。
我們利用雷射鑷夾的光電技
術與生物物理的方法來研究克雷關鍵字
白氏肺炎桿菌第三型線毛的機械雷射鑷夾、第三型線毛、原
特性。線毛是細菌表面的微結長、彈力常數、楊氏係數
構， 其直徑約數奈米， 長度約數
微米， 功能類似細菌的手腳， 能在我們生長的環境中到處都充
緊抓黏附在寄主表皮細胞的表滿了細菌， 而人類的疾病約有一半
面， 然後讓細菌有機會鑽入寄主是經由細菌感染所引起的。若是以
體內致病。因此， 量測線毛本身其獲得養分的方式來區分， 可以分
的物理特性， 將有助於認識細菌為異營性與自營性細菌。異營性細
在致病過程中與寄主細胞之間的菌中， 還可細分為腐生菌和寄生
交互作用。然而線毛實在太小菌， 而造成人類疾病的細菌通常為
了， 在光學顯微鏡下根本看不寄生菌。寄生細菌(以下簡稱為細
到。我們雖然可以利用原子力顯菌)主要是利用細菌本體表面的線
微術和電子顯微術得到線毛的表毛， 將菌體黏附在寄主細胞上， 直
面形貌， 不過無法量測其機械特接吸收寄主細胞的養分進而繁殖增
性。本文將描述我們如何用雷射生。當人體的防禦系統因營養不良
鑷夾， 像大海撈針般進行深海獵等因素發生而變弱時， 細菌便伺機
殺線毛的實驗， 即時量測被捕捉大量繁殖造成寄主的疾病。因此，
線毛的原長、伸長量、彈力係對於細菌黏附過程的研究是預防醫
數、楊氏係數等。結果， 我們發學上的重要課題。
現線毛不但具有彈性， 而且受力細菌在致病的過程中， 緊密黏
後還可恢復原狀。從楊氏係數的附到寄主細胞的能力是一項關鍵的
觀點來看，線毛的特性接近橡步驟[1-3] 。此步驟通常藉由細菌表
膠。希望這些線毛資訊有助於科面直徑約2至10 奈米、長度約數微
學家進一步了解致病機制中細菌米的線毛[4] ，與寄主細胞表面的特
32
2007.10 十四卷NO.3
定分子進行黏結。然而，不同的線
毛會與不同的細胞表面分子作用，
進而造成不同組織部位的感染。目
前，有關數種線毛的功能性已陸續
被發現，例如：第IV 型線毛的能動
性[5] 、第I型線毛的黏力特性[6] ，以
及P型線毛的機械伸長彈性[7-8] 。但
由於線毛的直徑僅有數奈米，以致
於不易在光學顯微鏡下被觀察量
測，因此在物理特性的研究上相當
困難。而近年來由於奈米科技如原
子力顯微鏡[9-10] 、雷射鑷夾技術[11-13]
的快速發展，將使得科學家對於過
去無法測定的生物精細構造及生物
圖1 原子力顯微鏡影像。
60
Height(nm)
0
0 20 40 60 80 100 120 140
Offset(nm)
分子間的微弱作用力能有進一步的
了解。
在本文中，我們將使用雷射鑷
夾技術進行量測，並以台灣具有特
別重要性的病原菌克雷白氏肺炎
桿菌的第三型線毛[14]為材料進行研
究。此種線毛的蛋白質序列與研究
甚多的P型線毛差異甚大，且這類
型線毛的結構組織與機械特性也仍
尚未了解，因此研究第三型線毛的
物理特性將有助於科學家了解這類
細菌在寄主體內的感染機制，進而
了解該種細菌的微組織在生物演化
過程中的有趣變遷。
樣品製備：細菌培養
我們將載有完整mrk基因操縱
子的質體，利用轉殖技術使克雷白
氏肺炎桿菌的第三型線毛表現在原
來不長線毛的大腸桿菌JM109的表
面上。在實驗之前，我們先將此帶
有pmrkABCDv1F基因之線毛的大腸
桿菌培養在37℃的LB培養基中，以
優化第三型線毛的表現特徵[15]，並
降低表現出來的線毛密度。圖1為
原子力顯微鏡下所呈現的線毛表面
形貌，其長度約為2~3微米、直徑
約3奈米，且每隻大腸桿菌的線毛
密度大約數根線毛，適合應用在本
單一線毛量測實驗。雖然原子力顯
微術和電子顯微術可以得到線毛的
表面形貌，不過無法量測其機械特
性。本實驗量測單一線毛機械特性
的工作，有賴雷射
鑷夾完成。
如圖2 所示，
本實驗雷射鑷夾系
統主要架構為一台
雷射和一台倒立式
顯微鏡(DMIRB, Leica,
Germany)。為了降
低雷射光破壞生物
組織的影響[13]，我
們選擇的捕捉光源
為一台近紅外波
長之固態雷射(1W,
1064nm, IRCL-1064-
1000-L, CrystaLaser,
USA)。顯微鏡的物
鏡為一100倍油鏡(NA=1.25, NPLAN,
Leica, Germany)，藉以產生高度聚焦
的捕捉光場，並且將生物樣品固定
在一個具有奈米解析度的壓電(PZT)
移動平台上(P-611, PI, Germany)。我
們利用一聚光鏡收集雷射光經過乳
膠珠所產生的散射光，最後利用四
象限光偵測器，將光訊號轉換成電
訊號，以得到乳膠珠質心相對於捕
捉中心點的偏移量 。
雷射鑷夾彈力常數校正
由於雷射鑷夾捕捉力FOT和被
捕捉的乳膠珠的偏移量 可以利用
線性彈簧力FOT .kOT x來描述，因此
我們事先校正雷射鑷夾的彈力常數
kOT之後，即可利用四象限光偵測器
所量測到的乳膠珠偏移量來計算乳
膠珠所受到的捕捉力大小。校正彈
力常數k的方法如下：我們先對乳
膠珠施加一些已知大小不同的外力
Fi，乳膠珠雖然隨之偏移，但在雷
射鑷夾的反向捕捉之下迅速達到靜
力平衡，而停留在一個所對應的偏
移量 xi。由靜力平衡可知，在每一
個乳膠珠的偏移量 xi，雷射鑷夾的
捕捉力FOTi .Fi 。因為外力的大小Fi已
知，所以我們可以做F x關係圖，
從圖形曲線的斜率校正出雷射鑷夾
之彈力常數kOT。
雷射鑷夾經過校正之後，我們
一旦量到乳膠珠的偏移量 x，只要
再乘上雷射鑷夾之彈力常數kOT，即
可得到施加於乳膠珠之上的未知外
奈米通訊
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33
圖2 雷射鑷夾系統利用近紅外雷射光束通過高度聚焦的顯微物
鏡產生捕捉光點，並利用具有奈米解析度的移動平台進行
微小掃描，量測線毛受力實驗；利用聚光鏡收光使得前向
散射光打在四象限光偵測器上，最後測得乳膠珠對捕捉中
心的三維偏移量。
樣品
物鏡
捕捉光束(1064nm)
X
乳膠珠Z
Zπ
100x
20x 聚光鏡
透鏡
四象限光偵測器
PZT致動器
探測光束(633nm)
照明光源
力Fi (.FOT .kOT x)。在本實驗中，因為
乳膠珠被連結在第三型線毛上，所
以當我們利用雷射鑷夾去拉乳膠珠
時，線毛會被拉長而產生一方向相
反的回復彈力FP，對抗雷射鑷夾的
捕捉拉力FOT。當乳膠珠處於上述兩
靜力平衡時，我們根據其偏移量計
算出雷射鑷夾捕捉力FOT的大小，即
可得到線毛的回復彈力FP的量值。
實驗方法
首先，我們將基因轉植過後之
大腸桿菌溶液注入蓋玻片與蓋玻
片間的空隙，以便大腸桿菌黏附至
蓋玻片上。接著，再注入乳膠珠溶
液。然後，我們利用雷射鑷夾捕捉
一顆自由漂動的乳膠珠，然後移動
到一個黏附在蓋玻片上的大腸桿菌
附近，試著去黏其表面上的一根第
三型線毛。在乳膠珠黏到線毛之
後，我們利用壓電平台(PZT)去移動
蓋玻片。因為大腸桿菌被黏附固定
在玻片上，加上捕捉光束也固定不
動，所以移動蓋玻片相當於移動大
腸桿菌而拉長線毛。理想上，我們
可以如此任意地拉長或移動線毛，
以進行線毛機械特性的即時量測實
驗。
然而，實際上要用乳膠珠黏到
線毛猶如大海撈針一樣困難，因為
線毛實在太小了，在光學顯微鏡下
根本看不到。那麼如何去黏並確定
乳膠珠有黏到線毛呢？我們的作法
是像釣魚一樣反覆嘗試。當乳膠珠
沒有釣(黏)到大腸桿菌的線毛時，
在我們移動PZT平台的過程中，我
們在光學顯微鏡下會看到這顆懸浮
的乳膠珠一直被固定在雷射鑷夾的
捕捉光點之中，且逐漸遠離大腸桿
菌。反之，當乳膠珠碰巧釣(黏)到
線毛時，在我們移動PZT平台拉行
一段距離之後，乳膠珠會突然彈離
捕捉光點而回到大腸桿菌附近。這
樣才可以確定乳膠珠有黏住線毛。
但是即便如此，乳膠珠還可能同時
黏到多根線毛。因此，實際上要找
到一個理想的樣品(一顆乳膠珠只
黏到一根線毛)是需要相當的運氣
的。
確定乳膠珠黏住一根線毛之
後，我們接著進行線毛機械特性的
即時量測實驗：線毛的原長、伸長
量、彈力常數、與楊氏係數等。透
過電腦程式自動控制並紀錄PZT平
台行走的位移，我們可以計算線毛
的伸長量 L。再經由四象限光偵測
器(QPD)所偵測到乳膠珠距離捕捉
光點之偏移量 x，我們可以得到線
毛所受的拉力F。至於線毛之原長L
及截面積A則可藉由原子力顯微鏡
之量測而得到。綜合以上數據，我
們可以計算線毛之彈力常數kP ( .F. .
/ L)與楊氏係數E 。
實驗結果
我們在本實驗中首先發現第三
型線毛在受力下呈現以下幾項定性
與定量的特性：
1. 線毛具有彈性：利用雷射鑷夾拉
拔黏附在線毛的乳膠珠時，我們
發現線毛在外力作用下將被伸
長。但是當外力消失之後，乳膠
珠會被線毛的彈性拉回原來的位
置附近(圖3)。
2. 線毛在微小外力作用下具有恢復
性：當我們對同一顆黏有線毛的
乳膠珠向某方向重複拉拔十次
時，我們發現擷取的訊號具有高
度的重複性(圖4)。這代表在微小
的外力下(最大水平線性力為10皮
牛頓，最大垂直線性力為3皮牛
頓)，線毛將會恢復原來的結構特
性。
圖3 拉拔線毛實驗連續圖。紅色虛線為光學捕捉平衡點，藍色虛線範圍內包含一顆黏附線
毛的乳膠珠。圖(a)移動樣品平台，使得捕捉光點對樣品有相對移動；圖(b)由於捕捉光
點與樣品的相對位移增加，使得黏附於乳膠珠上的線毛拉力增大；圖(c)最後最大雷射
鑷夾捕捉力小於線毛彈性恢復力，使得乳膠珠脫離光學捕捉平衡點。
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2007.10 十四卷
Trapping
direction
Trapping
direction
Trapping
direction
外力
(a) (b) (c) 1 micron 1 micron 1 micron
3. 線毛的彈力特性接近橡膠：利用
以上實驗方法，我們得到一根第
三型線毛的原長L 2微米、線毛
所受到的最大線性捕捉外力F .
16.5皮牛頓、線毛受力後的伸長
量 L.2.271微米。因此，該線
毛的彈力常數kP.60.9 皮牛頓/奈
米。再利用由原子力顯微鏡所獲
得的線毛截面積A.7平方奈米，
初步估計該線毛的楊氏係數為 E
皮牛頓/平方微米。因為楊
氏係數和材料本身的幾何形狀無
關，所以和一般常見的材料比較
(如表1所示)，我們發現第三型線
毛的機械彈力特性是比較接近橡
膠的材質[16-17]。
上述材料由左至右分別是鐵、
玻璃、木頭、骨頭、聚氯乙烯，以
及橡膠，所對應的楊氏係數大小的
程度由左至右遞減。由此可知，楊
氏係數越大之材料，所呈現出來的
機械彈力特性會越堅硬；換句話
說，橡膠材料是表一各材料中最柔
軟的一種，其楊氏係數也較接近我
們量測到第三型線毛的實驗值。
結論
我們利用雷射鑷夾量測第三型
線毛的物理機械特性，發現該種線
毛具有彈性，並且在受力時，各方
向伸長量具有對稱性。經過定量測
量發現，該線毛的原長度約為2微
米、彈力係數60.9皮牛頓/奈米、以
及楊氏係數約為107皮牛頓/平方微
米；據此推測該線毛的機械特性與
橡膠材質相似。基於上述雷射鑷夾
技術以及搭配的量測方式，所獲得
三維線毛的測量值的長度誤差約在
數十奈米，此解析能力受到系統雜
訊的影響，因此如何增加該系統的
量測解析度將會是下一個需要考量
的工作。而且若將該系統的光學捕
捉力增加，也可以進一步了解該種
線毛受到巨大外力下結構拆解過程
的動態效應，進而得到該線毛分子
間的鍵結特性。傳統細菌致病的研
究方法大多為巨觀現象的推測，而
本實驗則是對單一細菌做生物物理
的研究，提供了研究細菌與寄主細
胞之交互作用的另一種方法。
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Ove Axner, The Unfolding of
the P pili Quaternary Structure
by Stretching is Reversible, not
圖4 線毛彈性實驗：此為同一根線毛經過數
次的單一方向拉拔所得到的數據圖，每
一種顏色曲線代表一次拉拔數據，以上
共有十次，並顯示出具有高度重複性，
這代表此線毛在受力下，仍是具有恢復
力。
奈米通訊
NANO COMMUNICATIONS
主題文章
35
材料鐵玻璃木頭骨頭聚氯乙烯橡膠
楊氏係數
10^7 N/m2 20000 6500 1300 900 300 0.1-1
表1 常見材料的楊氏係數。
拉力 [AU]
PZT位移[nm]
1
-1
-2
-3
-4
-5
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36
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
奈米壓印技術在生物科技上的應用
羅韻晴1、陳立偉2、 陳念暉2、劉宏文3、楊忠諺1、葉鳳生2、林奇宏1,3
1國家奈米元件實驗室、2國立清華大學 、3國立陽明大學
摘要
利用奈米壓印技術可以製
作出具有奈米大小表面特徵的
基材，而壓印技術也因為研究
目的不同而有不同的作法。其
中這些技術包括奈米印刷微
影術(Nanoimprint Lithography,
NIL) ，紫外光奈米印刷微影術
( U V-N I L ) ，微接觸式印刷術
(Microcontact Printing) 。
現在我們結合奈米壓印技術
和生物研究目的，運用於多種生
物學術上的研究與實際上的應
用。在細胞研究上：例如具有特
別圖案的細胞外基質對細胞行為
的影響，或是材質表面高低形貌
對細胞的影響；在生醫晶片上：
例如製作DNA 微陣列晶片及蛋白
質微陣列晶片；在組織工程上：
例如組織細胞培養及神經元再
生.等等。
光學微影術
(Photolithography)
利用曝光蝕刻的方法，可以在
矽晶圓表面造成微米或奈米級大小
的高低形貌。其方法為，首先在矽
基板上面旋轉塗佈光阻，透過光罩
對其曝光顯影，再經過蝕刻就可以
製作具有微米或奈米圖案的矽基模
板。通常這個方法是用在製作其他
軟性材料所需要的模仁，或是研究
單純表面形貌對於生物現象的影
響。其缺點是在於矽晶圓基本上是
不透明的材質，若要觀察矽基板上
的生物物質，便不適用於一般穿透
式光學顯微鏡。
奈米印刷微影術
(Nanoimprint Lithography,
NIL)
因為光學繞射極限的限制，若
要製作奈米大小的線寬，就不適用
於使用光罩的方式進行微影曝光，
而必須使用到電子束直寫方式。但
是這個方法既花時間也耗費金錢，
而且不能大量製造。於是在1996
年Stephen Y. Chou[１]為解決這個問
題，發明奈米印刷微影術。此法的
好處在於模仁可以重複使用，再現
性高，現在最小線寬可達到10 奈米
以下，並且具有低成本，可大量製
造的好處。製作方法首先在一個基
板上塗佈一種熱塑性的高分子材料
聚合物(如壓克力，簡稱PMMA) ，並
且加熱到它的熔點以上。然後從上
面加壓一個硬的模仁，以機械力取
代光能，對熱塑性的高分子材料塑
型。待此聚合物降溫到熔點以下，
模仁就會和聚合物分離並且成型。
之後就可以利用這個模仁做轉印的
動作。常被運用在表面處理SAM 後
形成蛋白質圖形。但是因為在過程
中需要高溫高壓，容易造成模仁變
形，並且使之後高分子材料轉印的
效果不佳。詳細過程參見圖1。
紫外光奈米印刷微影術
(Ultra Violet Nanoimprint
Lithography, UV-NIL)
為了改善奈米轉印微影術
的熱塑性高分子材料聚合物的
材質上的缺點，2000 年M.Otto 及
模仁
高分子材料
基板
圖1 奈米印刷微影術。
模仁
光敏性高分子材料
基板
基板
UV
圖2 紫外光奈米印刷微影術。
模仁
高分子材料
基板
圖3 步進式快閃印刷微影術。
PDMS
模仁
蛋白質
PDMS
PDMS+ 蛋白質
基板
圖4 微接觸式印刷技術。
M.Bender[2] ， [3] 發表一種紫外光奈米
印刷微影術，他們用光敏性高分
子材料取代熱塑性的高分子材料，
但這時必須使用一個可以透光的模
HSQ template
aminosilane
HSQ substrate
HSQ template
goat anti-mouse
lgG(H+L) mixed with
fluorescent agents
aminosilane
HSQ
圖5 Ｈydrogen-Silsesquioxane (HSQ) 印
刷微影術。
Si
Si
Si
Si
Si
Si
AFM tip
Si
HSQ
仁，例如石英。紫外光透過石英模
仁對光敏性高分子材料照射後會形
成交聯(Cross Link) 而固化。由於材
料不是經由冷卻的方式聚合，這個
特性可以避免高溫高壓對模仁帶來
的熱變形，詳細過程參見圖2。不
過因為這種高分子材料的黏性低，
不適合大面積的塗佈，所以後來
C.G. Willson[4] 將之改進成步進式快
閃印刷微影術(Step and Flash Imprint
Lithography) ，詳細過程參見圖3。
微接觸式印刷技術
(Microcontact Printing)
第三大宗是屬於軟式微影
術(Soft lithography) 。其中最為
人知並且在生物科技上常用到
的是一種軟性材質聚二甲基矽
氧烷(Polydimethylsiloxane ，簡稱
PDMS) ，以其作為轉印的模仁，稱
作微接觸式印刷技術(Microcontact
Printing) 。此法於1998 年由G.M
Whitesides[5] 發明，其概念來自於印
章轉印的概念。經由軟性的PDMS
模仁沾取具有硫醇官能基的化合
物，然後蓋在金箔表面，因為金
和硫很容易形成鍵結。於是經過
PDMS 轉印後圖形化的官能基表
面，可以再接上其他物質，如蛋白
質等。和前面兩種方法相同，首先
我們需要ㄧ個用來製作PDMS 的矽
晶圓模仁。我們先設計一個適合的
光罩，矽晶圓經由微影和蝕刻的技
術處理，即可得到具有我們想要圖
案的矽晶圓模仁。最後以掃描式
電子顯微鏡(SEM) 檢測矽基模板品
質。確認矽基模板的圖案和品質無
誤後，以此矽晶圓當作模仁，於矽
基模板上均勻覆上液狀PDMS 並加
熱到攝氏70 度，使其凝固成型。待
冷卻後將矽模板和PDMS 分離，便
形成一個具有彈性的PDMS 『圖案
印章』[6] 。最後再利用這個PDMS 印
章沾上墨水，輔以氮氣使其乾燥
後，立刻將印章和清洗乾淨的基材
接觸並輕壓，使得墨水可以轉印到
基材表面上。為了檢視轉印是否成
功，我們用顯微鏡觀察壓印的圖案
結果。相較於其他技術，這個方法
的好處在於完成矽基模仁後，每次
38
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
主題文章
NANO COMMUNICATIONS
製作圖案基板只需幾個簡單步驟便
可完成，對於一般生物實驗室是比
較便利的。且PDMS 印章具有製作
方便，成本低廉等特性，其製作過
程中不需對墨水進行高溫處理或曝
光等步驟，對蛋白質功能的破壞程
度最小，因此最適合用在生物方面
的研究。微接觸式印刷術的製作流
程可參見圖4。雖然PDMS 的可撓性
使得圖案容易完整的轉印到基材
上，不過對於100 nm 以下的線寬，
因為PDMS 的硬度不足，所以不易
轉印成功，實驗流程如圖4。
含氫的矽酸鹽類
(Ｈydrogen-Silsesquioxane,
HSQ ) 印刷微影術技術介紹
為了進一步將更小的圖案應用
在我們的研究上，目前我們正在研
發一種材質HSQ 做為我們的轉印材
質。Hydrogen-Silsesquioxane 簡稱
HSQ ，其分子式為(HSiO1.5)n 。是一
種無機低介電材質，其溶於甲基異
丁基酮(Methylisobutyl Ketone ，簡
稱MIBK) 中。因為HSQ 具有熱塑性
的特性，可以直接用電子束寫出圖
案[8] 。而且當HSQ 固化後，其硬度
也比PDMS 高，所以可以轉印出更
細小的線寬。實驗流程圖如圖5所
示。一開始製作HSQ 模仁，我們依
所需膜厚度，依照比例配製HSQ 和
MIBK 的混合溶液，以旋轉塗佈方式
塗佈於矽晶片上，接著在熱盤上預
Heat treatment with
Temperature above 200℃
Or E-beam Exposure with
Dose above 1000μJ/cm2
圖6 HSQ 的分子結構在經過熱處理或電子束微影會由(a)Cage-Like 結構轉變為(b)Network-
Like 結構。
*X : 98.45nm
*Y : 356.0nm
*Z : 369.4nm
25.0kV X50.0K 600nm
圖7 線寬100 nm HSQ 模仁結構。
HSQ
OH
OH
OH
OH
OH
EtO
EtO EtO
Si NH2
O
HSQ
O
O
O
O
Si
+EtOH
圖9 胺基矽烷與氫氧基之鍵結方式。
烤後，利用國家奈米元件實驗室
的電子束直寫系統Leica Weprint200
對HSQ 曝光，其結構會由Cage-Like
變為network-like( 圖6) 。當HSQ 固
化後，不會溶解於氫氧化四甲銨
(TMAH) 溶液中，所以用適當濃度的
TMAH 溶液，可以當作顯影液，洗
掉沒有固化的HSQ ，顯出印模結構
[9] 。在SEM 下可以看到線寬100 nm
的HSQ 印模(圖7) 。之後我們以奈
圖8 HSQ 薄膜電子束微影之硬度量測數據。
NH2
米壓痕量測系統量測HSQ 模仁的硬
度，如圖8所示硬度是0.58 GPa 。
HSQ 模仁完成後，我們不直接選用
生物實驗需要的生物分子做為我們
的墨水。在這裡，為了更加確定
可以將生物分子固定在表面上，
我們先利用胺基矽烷(Aminosilane)
做為墨水，胺基矽烷可以將HSQ 基
板表面修飾帶有胺基(NH2)的官能
基，以利於後續蛋白質連結[10] 。實
(a)
(b)
在一起，由於羊的
抗大鼠免疫球蛋白
本身混合著螢光劑
Cy5 ，所以我們除了
可以用原子力顯微
鏡(AFM) 來觀察轉印
的表面高度外，也
可以用螢光顯微鏡
來驗證羊的抗大鼠
免疫球蛋白的吸附
圖10 (a) 未吸附羊的抗大鼠免疫球蛋白之Aminosilane AFM 量測情形，圖10 為AFM
圖；(b) 吸附羊的抗大鼠免疫球蛋白之Aminosilane AFM 量量測的結果。圖
成膽小管的結構[11] 。組織與細胞單
體最大的不同點在於，組織是由一
群具有特殊排列或經過特別極化
作用的單體細胞所組成，其形態
與功能往往與細胞處於單獨存在
時大不相同。這樣的結果也引發
了一連串的細胞內的訊息傳遞來
改變細胞的生物特性。傳統上細胞
組織工程的研究主要利用添加生長
因子及改變生物材料支架促使細胞
得以生長發展為類似組織結構[12] 、
[13] 。由於受限於目前的技術，對於
如何控制細胞的型態與行為無法有
更進一步的突破。所以我們希望利
用奈米壓印的技術運用到組織工程
上，能帶來更多的發現和應用。例
如心肌細胞的培養，若將心肌細胞
培養在特殊排列的微米條狀溝槽基
質中，其細胞間產生的裂隙接點
(Gap Junction) ，結構也可比培養在
均質基質中更加相似於生物體內原
本心臟組織排列的情況，並且其動
作電位的變化也較趨於同步化[14] 。
若我們希望對細胞有更專一性的效
圖11 Aminosilane 上吸附有Goat Anti-Mouse
IgG(H+L) 螢光顯微鏡圖。
測圖。
際操作上，我們先將胺基矽烷溶解
於乙醇中當作墨水，再將墨水旋塗
於矽晶片上作為墨水台，以奈米壓
印機台Nanonex2000 對HSQ 模仁施
壓沾取在墨水台上的墨水。在基
板的製備上，將HSQ 旋塗於矽晶片
上，經過軟烤，再以氧氣電漿來進
行基板表面處理，以增加基板的
氫氧鍵與胺基矽烷產生鍵結，其
反應如圖9。之後再利用奈米壓印
機台Nanonex2000 ，以25~50 psi 壓
力轉印胺基矽烷於HSQ 基板上。如
此一來，我們就初步完成轉印的
動作。最後將轉印有胺基矽烷的
樣品，先後浸泡於戊二醛(Glutaic
Dialdehyde(GA) 與羊的抗大鼠免疫
球蛋白(Goat Anti-Mouse IgG(H+L)) 。
戊二醛可作為胺基矽烷與羊的抗大
鼠免疫球蛋白之間的接合劑，透過
戊二醛兩端的醛基，使得胺基矽烷
與羊的抗大鼠免疫球蛋白能夠接合
10(a) 為胺基矽烷轉印於HSQ 基板上
的厚度3.9 nm ，圖10(b) 則為吸附羊
的抗大鼠免疫球蛋白之後的圖形，
測量厚度為8.6 nm ，比起只有轉印
胺基矽烷增加高度在5nm 左右，符
合羊的抗大鼠免疫球蛋白的大小。
圖11 為使用螢光顯微鏡放大400 倍
後所拍攝的圖片，利用這兩種觀察
測量的技術可同時證明胺基矽烷上
吸附有羊的抗大鼠免疫球蛋白。
壓印技術運用在細胞組織
培養
以往研究細胞組織方法不太考
慮細胞與接觸基材對細胞的影響。
其實細胞對於外界的情況比如說接
觸的面積高低大小都會有反應。而
細胞在形成組織時，其環境對於細
胞形成組織有影響。例如肝臟細胞
培養成密度高的單層細胞聚集時會
誘使細胞極化，於細胞與細胞間形
40
2007.10 十四卷NO.3
奈米通訊
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圖12 由圖中可以看到，細胞分裂會依照接觸底下的纖維連接蛋白的方向，分裂後細胞的排
列也是依照圖案的結構。
圖13 長時間的觀察發現，圖中箭頭方向所指的細胞，移動的方向依照接觸底下的纖維連接
蛋白的方向。
圖14 由大塊狀(左上褐色物體)的神經細胞會
長出神經突觸(圖面中線狀物)，沿著圖
形的蛋白質的方向排列生長。
列，這兩種技術適合用來進行大
量樣品分析計畫，如人體的基因
體計畫，檢測疾病，新藥開發，蛋
白質體計畫都相當有用。微陣列
的優點在於，需要的測試樣品很
少，並且一次可進行多點多量的實
驗。例如利用紫外光去控制DNA 序
列的成長，並且利用光學微影控制
UV 的曝光劑量及位置[19] ，此法由
Affymatix 公司建立，其流程參照圖
15 。首先在石英基板上矽烷基，經
由氫氧官能基連接在石英基板上，
最上面還有做一層保護不會接上核
.酸的化學修飾物。經過光罩和紫
外光微影，此修飾物便被移除，使
得矽烷基得以裸露出來，便可接上
新的核.酸，利用不同光罩的選擇
性的對區域曝光，便可以合成許多
具有不同序列的多點DNA 微陣列晶
片。因為需要許多道的光罩和曝光
程序，使得這種方法的晶片造價昂
貴。除了利用紫外光的合成DNA 序
列方法，也有利用微接觸式印刷技
果，可能需要用到特別的蛋白質作
為研究特別生物現象的標的，然後
進行微接觸式印刷。一般常選擇細
胞外基質(Extracellular Matrix) 做為
壓印的蛋白質基質。細胞外基質主
要由蛋白質組成，一般的生理狀態
下，許多細胞皆附著生長在細胞外
基質，其功能包括支撐細胞，調節
細胞附著，細胞運動，調節細胞生
長，細胞分化…等等。特別在於胚
胎成長及傷口癒合的時候，細胞外
基質對細胞的功能更扮演著調控的
重要角色[15] 。利用微接觸式印刷技
術改變細胞基質圖案排列的方式可
以調控許多細胞功能，例如控制細
胞附著及分裂[16] 、[17] 、[18] 。在我們的
實驗中，將纖維母細胞(Fibroblast
Cell) 培養在特別圖案的纖維連結蛋
(Fibronectin) 上，發現細胞分裂方
向會被接觸的蛋白質圖案引導(圖
12) 。而在長時間的觀察下纖維母
細胞會也會隨接觸的蛋白質形狀而
移動(圖13) 。若將魚的視網膜神經
元細胞培養在具特別蛋白質圖案的
基材上，也可以引導神經突觸的再
生方向(圖14) 。
印刷技術運用於DNA 微陣
列及蛋白質微陣列
對於許多微小化的實驗，我們
常稱之為Lab on a Chip ，其中一項
發展為商品化的產品微陣列(Micro
Array) 就是一個例子。最常見的微
陣列包括DNA 微陣列和蛋白質微陣
圖15 Affymatrixe 公司利用紫外光微影合成寡核.酸序列的過程。(圖取自Venkatasubbarao,
S. (2004) Microarrays – Status and Prospects.)
o Mask o o o o o
UV light
OH OH o o o o o o o o o o
A A
UV exposure Mask
o
A
o
A
OH OH o o
G
TRENDS in Bietochnology
Repeat
GGAA
o o o o o o
G
G
G
G
GG
ATTA
術製作微陣列晶片的方法。首先玻蛋白質的種類或是數量。關聯型的
璃先用胺基矽烷表面處理， 使得玻生物晶片則是利用固定化的蛋白質
璃表面具有胺基(NH2)的官能基， 之去偵測即時動態的蛋白質或其他生
後便可以用PDMS 將DNA 探針印刷物分子與固定化的蛋白質之間的作
到基板上， 因為胺基矽烷的緣故，用。目前用到最多的是捕捉型的生
DNA 就可以固定在玻璃表面[20] 。最物晶片， 目前利用NIL 的方式可以
後的微陣列晶片就可以拿來做檢做到75nm 大小的蛋白質點[22] 。經
測， 將DNA 和樣品混合， 樣品利用由微影及蝕刻技術技術可以製作出
螢光標定， 依照螢光強弱可知DNA 具有微流道和3D 結構的捕捉型的
雜交的程度結果， 若和晶片上探針生物晶片[23] 。
DNA 序列配對的程度越高者， 其螢
光強度越強。可參照圖16 。除了利結論
用石英、矽、玻璃等等材質作為基在討論過這麼多種關於奈米壓
材外， 也有以PDMS 做為基材的方印的技術及應用後， 可以發現其實
法[21] 。奈米壓印的應用及變化對於生物科
相同的， 我們也可以用這個概技上的幫助很大， 並且運用非常多
念運用在蛋白質微陣列上。目前元， 不單單侷限於某種特定的壓印
蛋白質微陣列可以分成兩大類，技術、壓印基材、壓印墨水的材
一種是捕捉型的生物晶片(Capture 質、研究的生物標的物… 等等。而
Biochip) ， 另一種是關聯型的生物經由各種壓印技術的相互搭配及改
晶片(Interaction Biochip) 。捕捉型進， 可以幫助我們進行一些以往難
的生物晶片可以經由在晶片上固定以達到的目標。而根據我們自己的
特定的化學分子， 去偵測待測試的實驗結果， 我們成功的利用半導體
1
2
3
4
圖16 圖為DNA 微陣列晶片，其中有綠色螢
光的圓點者是有與DNA 探針雜交的
結果。紅線圈出的部份說明雜交配對
的相符程度。其雜交相符程度由1到
4不同亮度作為說明。(圖取自Xiao,
P.F. et al. (2002) In Situ Synthesis of
Oligonucleotide Arrays by Using
Soft Lithography)
製程配合微接觸式印刷技術製作微
米及次微米尺寸的圖案化細胞外基
質，進而調控細胞骨架的排列，引
發某些細胞內部的生物作用，如細
胞分裂、運動、吸附等，至於更加
深入的細胞內部機制我們也正在進
一步探討中，比如說為什麼會造成
引導細胞分裂方向的機制，是經由
哪一些細胞外接受器及之後細胞內
訊息如何傳遞。而另外一方面，為
了進一步探討細胞對於更小尺度的
細胞外基質的機制，我們希望利用
清華大學HSQ 的壓印技術達到這個
目標。因為目前一般的研究，圖形
設計侷限不外乎直線或方塊等等單
一的圖案，尺度也侷限於微米等
級。相較之下，由於我們具有國家
級半導體製程及設備，在設計研發
及製作圖案上的速度及彈性應是比
其他研究團隊更具有優勢，可以快
速具體實現各種設計構想，製作多
樣化，更小尺度的圖案。我們也期
待微接觸式印刷術不僅僅只是侷限
42
2007.10 十四卷NO.3
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於細胞組織工程上之研究，未來配
合生醫材料以及醫學工程的發展將
會有更多廣泛的應用，例如結合現
有的醫工材料，加上特殊圖案的基
質塗佈或許便能改善其功能。
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有機高分子太陽能電池發展現況
葛祖榮1、陳方中2
1國家奈米元件實驗室、2光電工程學系與顯示科技研究所
摘要
有機高分子太陽能電池的光
電轉換效率，在2005 年已達5%，
主要的材料是利用P3HT/PCBM
(Poly(3-Hexylthiophene)/[6,6]Phenyl
C61-Butyric Acid Methyl
Ester) 這類的p-n 結構，由於這類
有機太陽能電池具有成本低、重
量輕、具可撓性及容易製造大面
積元件等優勢，值得我們進一步
去了解目前的製程技術發展。本
文除了將簡介有機太陽能電池的
基本效率評估方式，並介紹目
前有機高分子太陽能電池中提
升效率的方式，例如改變P3HT/
PCBM 之比例，及退火條件之比
較，最後希望能使讀者對目前的
有機高分子太陽能電池有一個完
整的了解。
關鍵字
有機太陽能電池(Organic
Solar Cells, Organic Photovoltaic
Devices) ；再生性能源(Renewable
Energy Source) ； P3HT/
PCBM((Poly(3-Hexylthiophene)/
[6,6]-Phenyl C61-Butyric acid
Methyl Ester ；比例(Ratio) ；退火
(Annealing) 。
前言
近十年來，隨著幾次原油價
格的劇烈波動，大家對於再生性
(Renewable) 能源的重視也日漸提
高，像是利用風力、水利，甚至是
太陽能，這類自然且低污染性的能
源，是未來極具競爭力的能源替代
方案，在2001 年時，太陽能電池的
市場大約是可提供381 百萬瓦的電
力[1] ，且市值總價超過美金1百萬，
且自1992 年開始，每年平均有著
15% 到25% 的成長(圖1) ，未來依照
此一個趨勢成長，人們對太陽能的
效率使用上將會更有效率。
目前來說，太陽能電池的發展
歷程中，有機和無機材料是相當重
要的兩種分類，現今，有機材料的
效率雖不如無機材料之光電轉換效
率優異，但有機材料具有下列幾項
優點[2] ，未來在應用上還是相當具
有潛力的。
1. 使用較簡單的溶液技術像是旋
塗、噴墨、浸泡的方式來沉積半
導體材料，降低目前無機太陽能
電池中，高價的生產成本。
2. 相較於無機材料，可以使用較少
量的有機材料(~100 nm 膜厚)及同
時可以大面積的製作技術。
3. 可以利用改變化學結構以控制最
佳的能帶寬、電荷轉移程度、溶
解度甚至是晶格排列程度，以使
Module World Market
圖1 截至2001 年， 太陽能電池在市場上所提供的電力供應。
57.9 60.1 59.4 77.7 88.6
125.6
151.7
201.5
277.0
381.3
Megawatt
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
300.0
350.0
400.0
450.0
44
2007.10 十四卷NO.3
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元件效率提升。
由於目前在有機材料相較於無
機材料的低載子移動率，但有機材
料因為有高的吸收係數(≧105 cm-1)
可彌補前述之缺失，故其主動層
膜厚可以降至小於100nm ，且近年
來，利用一些製程改進的方式可使
其效率可以達到5% ，故本文首先
介紹目前有機太陽能電池效率的評
估方式，之後再詳細探討目前文獻
上可行之製程技術演進，期使對現
今有機薄膜太陽能電池有一個清楚
的認識。
有機太陽能電池的基本元
件特性
評估太陽能電池的方式中有
幾個重要的參數，例如：短路電
流(Short-circuit current, Isc)，開路電
壓(Open-Circuit Voltage, Voc)，和填
充因子(Fill Factor, FF) ，其中這三個
值越大的話表示具有越大的光-電
轉換效率(Light-to-Electricity Power
Conversion E ciency, ηe) : ηe= Isc x
Voc x FF
因此，元件的效率可以利用改
RS I
Ileak
IL
+
_
圖2 太陽能電池的等效電路中串連電阻
(Series Resistance, Rs) 與並聯電阻
(Shunt Resistance, Rsh) 的關係。
變製程方式(更改材料或製程)可以
增加短路電流或填充因子，但開路
電壓則主要是受到兩陰陽電極間功
函數(Work Function) 影響，基於太
陽能電池的等效電路，如圖(2) 所
示：
其中因照光所所生電流密
度(I) 和所施加電壓(U) 的關係可
以用下列關係式表示：I = I0 ×
其中I0是暗電流，e是電子電
荷，U是所施加的電壓，RS是串聯
電阻(Series Resistance)，RSH 表並聯
電阻(Shunt Resistance)，IPH 是光電
流(Photocurrent) ，故為了獲得高
的短路電流(Short-Circuit Currents,
I sc ) ，在無外加電壓(U =0) 的條件
下，要盡量使太陽能電池的串聯
電阻(Series Resistance) 降低和並聯
電阻(Shunt Resistance) 提高。而
這兩種電阻的來源是因為實際上
任何有機半導體材料本身，或是
有機半導體與金屬的接觸，無可
避免的都會有或多或少的電阻，
如此就會而形成光伏特元件的串
聯電阻(Series Resistance) 。另一方
面，光伏特元件的正負電極間，
存在任何非經由理想p-n 二極體
的其他電流的通道，都會造成所
謂的漏電流(Leakage Current) ，例
如元件中的產生-複合(Generation-
Recombination) 電流，表面複合
(Surface Recombination) 電流，和金
屬接觸穿透p-n 接面。通常，我們
使用分流電阻(Shunt Resistance) 用
來定義太陽電池的漏電流大小，也
就是Rsh≡V=Ileak 。分流電阻越大，
就表示漏電流越小。另外，我們還
可以只用一個參數，就是所謂的填
充係數(Fill Factor) ，來同時概括串
聯電阻與並聯電阻二個效應。其定
義為FF =
其中下
標的MPP 表示在I-V 曲線中，最大輸
出功率點(Maximum Power Point)，
因此，為獲得最大的填充因子
(Fill Factor) ，因照光所生的光電流
(Photocurrent) 必須隨著所施加的電
壓(U) 突然的增加快速(為了獲得最
大的VMPP×IMPP 的值)，最佳化的條
件出在的照光載子(Photogenerated
Carriers) 在照光產生出來後不會因
與同時因照光所生的電子再結合
(Recombination) 的效應而產生損
失，因此，填充因子(FF) 也受到載
子漂移長度(Carrier Drift Length, Ld)
限制，其中值計算如下：Ld = μτE
其中，μ表載子移動率(Carrier
Mobility) ，τ表載子再結合的生命
期(Recombination Lifetime)，E表電
場，其中，Ld 必須大於主動層的
厚度來避免的因電子-電洞再結合
(Recombination) 所生的損失，綜上
所述，為了達到產生有效率的電
荷-載子產生，具有高載子移動率
或是具有薄的主動層的有機薄膜是
必需的。
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的p-n 介面，使電子電洞
(a)
(c)
(b)
(d)
O
O CH3
PCBM P3HT
CH2(CH2)CH3
e
s n
b
的吸收帶與P3HT 的帶寬
(Bandgap)2.14eV 相符，故
主要太陽光的吸收是來自
P3HT 的貢獻。
此外眾所周知的，
有機半導體層(主動層)的
結構特性將會對光伏電
池，有相當大的決定性的
影響，由於高分子混成
(Blending) 的過程中，為
圖3 [a] 利用P3HT/PCBM 作為有機太陽能電池之電荷轉移機構[16]；[b] 基本有機薄膜太陽能電池之建結構了使有機高分子產生清楚
示意圖[15]；[c]P3HT/PCBM 之有機太陽能電池之能階示意圖；[d]P3HT 及PCBM 之PL 光譜圖[16] 。
目前高分子太陽能電池中
材料與元件製作技術之發展
由於有機高分子有著先天上
Exciton 束縛能的缺點，為了使電子
電洞能更有效分離，在1986 年被
C. W. Tang[3] 利用P-N 介面的小分子
結構解決後，反觀在旋塗製作有
機高分子太陽能電池方面，直到
1992 年，A. J. Heeger 與F. Wudl 團隊
[4] 也發現當混合p-型共軛高分子，
如MEH-PPV 與n-型C60 的有機高分子
半導體的組合，也同樣能使電子
電洞有效分離，因MEH-PPV 的激發
態會以一非常快速的過程(~psec)
轉移電子給鄰近的C60 分子，而生
成Metastable 的陽離子MEH-PPV 與
陰離子C60 ，而目前最熱門的p-n 材
料組合是同樣利用具有類似C60 結
構的PCBM ([6,6]-phenyl C61-butyric
Acid Methyl Ester) 結合P-Type 之半導
底材料P3HT(Poly(3-Hexylthiophene))
以相互混合(Blending) 的方式製作
出的有機太陽能電池[5-17] ，與其機
構於能階圖，如圖3[b] ，在2005 年
時其光電轉換效率可達5%[9,12] ，元
件結構大致如下圖3[c][15] ，其原理
主要是利用P3HT 吸收光子(太陽能)
產生Exciton[16] ，並利用與PCBM 的
介面位能差，產生自由電子進而
造成電子電洞對分離，這即是所
謂的光致電荷轉移的過程，其結
構中(圖3[b]) ，因吸光後產生的電
洞經由ㄧ層高穿透率且功函數能
匹配的PEDOT/PSS 有基層被ITO 陽極
所收集，而電子大多是利用鋁或
是有氟化鋰(LiF) 修飾的鋁陰極所收
集，再結合外電路導通後，便產
生電流。其中，利用吸收光譜與
Photoluminescence 光譜(圖3 [d]) 的
比較[16] ，可以看出利用P3HT 吸收太
陽光，之後利用能量轉移把能量
轉移到PCBM 的證據，其中580nm
對能有效的分離，故在兩混成高分
子材料中相分離(Phase Separation)
的條件是相當關鍵的因素[18] ，而目
前中發現有方式均會使元件的效
率改變，例如使用不同的溶劑[19] ，
改變P3HT 的分子量[20] ，改變P3HT/
PCBM 的比例[6,14,20] ，及元件退火
(Postannealing) 的條件[5-16,19] ，其中
目前較多討論的部份是P3HT/PCBM
的比例，及退火的條件對於元件特
性的影響，前者主要會改變電子電
洞的移動率(Mobility) 的關係[11] ，而
後者會改變P3HT/PCBM 薄膜的結晶
性[12,13] ，進而改變移動率，而使元
件效率提升。故接下來，我們就兩
項關鍵性的參數來探討元件效率。
(a)P3HT 與PCBM 之組成比例對於
元件效率之影響：
在2004 年，D. Dyakonov 等人
[14] 在P3HT/PCBM 混合的薄膜中改變
不同的PCBM 的比例從41% 到75%，
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9
8
7
2mm
6
5
4
3
2
1
0
0.65
0.60
0.55
(a) (b) (c)
70
60
50
40
2.5
2.0
1.5
1.0
(d) 10μm (e)
0.5
0.0
40 45 50 55 60 65 70 75 80
weight percentage PCBM/wt％
圖4 [a] 不同PCBM 濃度(wt%) 對短路電流密度，開路電壓，填充效率及電轉換效率之影響
[14]；[b] 不同PCBM 濃度對有機太陽能電池之電極表面之影響：(a)50% 、(b)67% 及
(c)75% 之影響，與其AFM 影像：(d)50% 與(e)75% 之PCBM 濃度[14] 。
η/
％
FF/
％
Voc/V Jsc/mA/cm2
35
d g h 10-3
30
c
25
20
10-4
15
e
10
f
5
b
0
a
10-5
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 200 300 400 500 600
Wavelength(nm) E0.5[(V/cm0.5)]
0.4 10-3
0.2
0.0
-0.2
10-4
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0 10-5
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
200 300 400 500 600
Applied(V) E0.5[(V/cm0.5)]
圖5 [a] 不同重量比例之P3HT:PCBM 對外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE,%)
之影響[6](a)1:0 、(b)1:0.1 、(c) 1:0.5 、(d) 1:1 、(e)1:2 、(f)1:4，(其中(g) 為1:1 、(h)
為1:4 之AFM 影像)；[b] 不同重量比例之P3HT:PCBM 對元件效率之影響[6](a)1:0 、
(b)1:0.1 、(c) 1:0.5 、(d) 1:1 、(e)1:2 、(f)1:4 ：上述兩圖均在480nm 的單色激發光源
下，強度為6.2mW/cm2所得之量測結果；[c] 不同P3HT/PCBM 重量比下，比較在不同
施加電場下，對電子(a) 及電洞(b) 移動率之影響[11] 。
發現其短路電流隨PCBM 的比例
增加而逐漸減少(圖4[a]) ，而大約
在47%-50% 有最好光電轉換效率
(Power Conversion Efficiency%,η)，
達到將近2% 的效率，但其開路電
壓Voc 並未隨之明顯改變，其原因
主要是如前所述，開路電壓主要
是受到兩電級間功函數的影響，
故在相同電級條件(ITO:Al) 下，因其
開路電壓均是維持在大約0.58V 左
右；在130 ℃退火的製程條件後，
比較其短路電壓時，卻發現因隨著
PCBM 比例的增加超過50% ，鋁陰極
發生了龜裂的現象(圖4[b]) ，且隨著
PCBM 濃度增加而更加嚴重，使鋁
電極中電阻增加(串聯電阻增加)，
導致短路電流降低，其推測原因是
來自因過多的PCBM(50%) 因熱而在
薄膜表面產生Segregation 的現象，
而使薄膜表面不均勻，而使鋁電極
龜裂。
此一假設，在2005 年由Y. Kim[6]
等人所証實，在圖5[a] 右上方插入
之AFM 圖中可以看出，隨著PCBM
的比例增加，混成(Blending) 薄膜
表面的Segregation 也隨之增多，
而不再是像1:1 比例相同時所產生
的均勻薄膜，而是有很多次微米
級(Sub-micro) 的顆粒產生，推測
在加熱完，相同p-n 比例的條件
下，PCBM 會均勻和P3HT 均勻混
合，且會彼次抑制分子間的堆積
(Intermolecular Packing) ，但PCBM 過
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量時，PCBM 會發生所生堆積而造
成Segregation ，此外，他們更比較
五種不同比例的P3HT/PCBM 混成薄
膜從1:0.5 到1:2 ，且發現在混合比例
為1:1 時，有最佳的外部量子效率
(External Quantum E ciency, %) ，且
在510nm 單光源照射下，有最佳的
效率可達35% ，之後作成元件後發
現，在480nm 的光與強度為6.2mW/
cm2 下，1:1 的P3HT/PCBM 比例有最
大的短路電流密度-0.97mA/cm2 ，
和最大的Fill Factor 值。
此外，Y. Yang 等人[11] 認為在不
同的p-n 比例下，對電子及電洞的
移動率(Mobility) 也是有相當大的影
響，他們利用TOF(Time-of-Flight) 的
方式來直接量測此一效應(圖5[c])，
發現不同比例之PCBM/P3HT ，且
忽略再結合(Recombination) 的條
件下，當p-n 的比例為1:1 時電子的
移動率可以達到1×10-4cm2V-1S-1 ，
且認為其中會影響電子與電洞的
移動率是來自於分散(Dispersive) 與
非分散(Non-Dispersive) 的光電流
(Photocurrent) 所造成，半導體材料
中，非分散的光電流越多，越容易
造成其Mobility 上升，當大規模且
不均勻的相分離發生時，結構容易
不規則，所以當電流在此結構傳
輸時，會容易產生分散的傳輸行
為，而導致移動率(Mobility) 下降，
故因在P3HT/PCBM 比為1:1 時，有較
規則的排列，其非分散電流(Non-
Dispersive Current) 增加，導致其電
子電洞對有較高的移動率。
(b) 製程後退火(Postannealing) 對
對於元件效率之影響：
在有機高分子P3HT 的研究進展
中，1999 年，H. Sirringhaus 在Nature
所發表的文章中[17] 得知，電荷載
子移動率(Charge Carrier Mobility) 在
Regioregular 的P3HT 中是有機會可
以達到0.1cm2V-1S-1(圖6[a]) ，只要使
結晶化(Crystallized) 的P3HT 達到96%
的Head to Tail 的結構(如圖6[b] 中之
左圖)，使片狀的P3HT 分子垂直於
基板的整齊排列，其中上下兩層
的分子與分子間間距為1.61nm ，且
只是單純的改變成分比例從70% 到
96% ，就可以使Mobility 上升100 倍
之多，故如何改變P3HT 的結晶結構
與排列方式，便是對此類P3HT 類
有機高分子便是ㄧ個相當重要的參
數。
退火，這一個參數對有機高分
子光伏電池是個突破性的進展，
不僅原本的P3HT/PCBM 這類結構的
高分子有機太陽能電池，做一個
大幅度的效能改進，更為有機高
分子太陽能電池帶來新的ㄧ線曙
光，在2003 年，F. Padinger 等人[15]
利用75 ℃維持4分鐘，同時加入一
個2.7V 的順向電壓(Forward Bias)，
於P3HT/PCBM 所製作的光伏電池，
把開路電壓從原本的從300mV 提升
到500mV ，且短路電流密度從原本
的2.5mA cm-2 提升至7.5mA cm-2 ，
造成其光電轉換效率從0.4% 提升至
2.5% ，推測可能是來自有產生較好
的結晶性(Crystallization) ，而造成的
效率提升，這也在2003 年時效率最
好的有機高分子光伏電池的記錄，
之後便展開了一系列的研究，直到
最近才有突破5%[9,12] 的研究結果。
但我們從圖6[c] 中P3HT 的DSC
圖中[5] 得知，玻璃轉移溫度( Tg) 是
在大約110 ℃，其熔點是在230℃，
要產生結構性的變化，基本上要超
過其玻璃轉移溫度，和夠長的加熱
反應時間，以使P3HT 結晶性發生
改變，如示意圖6d 所示，在未退火
前，P3HT 的高分子與PCBM 相混合
在一起，且P3HT 未具有結晶化的現
象產生，但經退火的過程後，會使
P3HT 產生結晶化，進而使高分子排
列更趨近Head to Tail 的分子排列，
使Mobility 上升。
在目前製作技術可接近效率
5% 的有機光伏電池的實驗室[9,12,13]
中，以UCLA 的Y. Yang 教授和UC
Santa Barbara 的A. J. Heeger 教授較
具有代表性，這兩個實驗室，均是
利用退火的方式來使光伏電池效率
提升，2005 年，Y. Yang 等人[10] 用同
一種結構，在兩種不同的退火條
件(Pre-Treatment 和Post-Production
Treatment) ，鍍鋁陰極前退火叫Pre-
Treatment ，反之，鍍鋁陰極後退
火叫Post-Production Treatment ，利
48
2007.10 十四卷NO.3
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用這兩種方式在不同的退火溫度退火，並維持20 分鐘的條件下，
從70 到180 ℃且維持四分鐘的條件有最佳的光電效率可以達到2.8%，
下，可以得到如圖7[a] 之結果，在且從AFM 圖形中(圖7[b]) ，發現隨
前退火(Pre-Treatment) 中，以110℃著Annealing 溫度的提升，會使上
(a)
(b)
(c)
(d)
P3HT-molecule
PCBM-molecule
amorphous
P3HT/PCBM
matrix
PCBM
cluster
annesling
PCBM
cluster
amorphous
P3HT/PCBM
matrix
(a)non-annesled film
(b)annesled film
substratc
substratc
P3HT/crystalitematrix
with a-axis
orientation
Temperature(℃)
3
2
1
25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Tg.onset
O
OCH3
(b)
(a)
s n
A
V
AI
a+b
x
ITO
Glass
b
a
4.9
3.0
6.1
3.7 AI
4.2
(d)
x
5.2
ITO
4.7
% head-to-tail
70 80 90
10-4
10-3
10-2
10-1
μeat(cm2 V-1 S -1 )
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
(100)
(010)
(300)
(100)
(200)
(010)
b
a
a
b
面鍍有ITO 膜的P3HT/PCBM 膜越粗
糙，認為越粗糙的表面越適合做電
荷收集(Charge Collection) ，且提出
越粗糙的表面可能存在越多的缺
陷，這會促使更多Exciton 在其介面
分解，進而增加電荷產生，至於後
退火(Postproduction Treatment) 的條
件(圖7[a] 下圖)，可以看出在110℃
時，並維持10 分鐘可以使效率達
3.2% ，可知後退火對效率有比前退
火有更佳的提升，認為金屬層會限
制高分子在垂直(Vertical) 方向的移
動，使側向(Lateral) 的高分子有更
長的移動距離，達到最佳的排列
(Alignment) ，此外，更量測串聯電
阻與不同退火溫度的關係，發現，
整體上串聯電阻均會隨退火溫度上
圖6 [a]P3HT 分子的排列(Head-to–tail) 程度對載子移動率的影響[4] ：利用旋塗方式成膜
(Downward Triangles) 及浸鍍方式成膜(Upward Triangles)；[b] 相對於基板之兩種升而降低，尤其是在退火溫度在
不同的P3HT 排列方向，與其大角度X-ray 散射影像(Wide Angle X-ray Ccattering
Image)[4]；[c]P3HT/PCBM 之DSC 圖[5] ，顯示其Tg 點在110 ℃，熔點在230℃；[d] 退火110 ℃，可以使電阻降至最低，使
[8]
前後對P3HT/PCBM 結構之影響。電洞移動率(Mobility) 提升，配合前
(a)
(b)
(b)70℃for 10min (c)110℃for 10min (d)130℃for 10min (a)No.beat treatment
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-10
-8
-6
-4
-2
-0
2
(a)Pre-treatment
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-10
-8
-6
-4
-2
-0
2
(b)Post-production
As cast
70℃5min
110℃4min
130℃4min
150℃4min
180℃4min
As cast
70℃5min
110℃4min
130℃4min
150℃4min
述，若串連電阻降低，會使短路電
流提升進而使元件效率有所提升，
最後，配合改變不同的薄膜厚度，
並結合上述最佳退火條件，可使
P3HT/PCBM 薄膜厚度為63nm 時，光
伏電池效率可達4.0% 。
表1 不同退火條件(前退火與後退火)對串聯
電阻(Series Resistance) 之影響。
Annealing temp Series resistance(Ω)
(℃) Pretreatment Post-treatment
RT 50.8 50.8
70 49.8 30.4
110 30.1 21.3
圖7 [a] 不同退火條件對元件效率之影響:上圖：前退火對效率之影響，下圖：後退火對效130 30.3 26.0
率之影響；[b] 不同退火溫度對薄膜表面形貌之影響：(a) 未經過退火，退火溫度分別為150 26.1 26.7
(b)70 ℃、(c)110 ℃及(d)150 ℃。180 18.8
49
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( a ) ( b )
( c )
1 0 0 n m
5 0 n m
0 n m
1 0 n m
5 n m
0 n m
1 0 0 n m
5 0 n m
0 n m
1 0 n m
5 n m
0 n m
-0 . 8
-0 . 4
0 . 0
0 . 4
0 . 8
1 1 0 1 0 0 1 0 0 0
h 4 s h o w ( n o . 1 )
h 4 f a s t ( n o . 7 )
g -f a s t ( n o . 7 )
g -s h o w ( n o . 1 )
T i m e s ( μs )
P h o t o c u m e n t ( μs )
N o . 1
N o . 2
N o . 3
N o . 4
N o . 1
N o . 2
N o . 3
N o . 4
a c t i v e l a y e r C a t h o d e
P E D O T / P S S
I T O
G l a s s
-0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8
-1 2
-1 0
-8
-6
-4
-2
0
0
-0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8
-1 2
-1 0
-8
-6
-4
-2
0
0
圖8 [a] 退火條件( 上圖) 及薄膜成長條件( 下圖) 對元件效率之影響[13] ：上圖：未退火(no .1) ，
退火溫度為110 ℃維持10 分鐘(no.2) 、20 分鐘(no.3) 及30 分鐘(no.4) ，下圖：蒸發速率為
20 分鐘(no.1) 、3 分鐘(no .5) 、40 秒(no. 6) 及10 秒(no.7) ；[b] 薄膜成長速率對載子移動率
(Carrier Mobility) 之影響：慢速成長(no.1) 、快速成長(no.7) ；[c] 退火條件及薄膜成長條
件( 下圖) 對薄膜表面形貌之影響：(a) 慢速成長[no.1] 且未經過退火，(b) 慢速成長經退火
溫度110 ℃維持10 分鐘，(c) 快速成長[no.7] 且未經退火，(d) 快速成長經退火溫度110 ℃
維持20 分鐘之AFM 影像。
接下來，Y. Yang 在著名期刊
Nature Materials 上，提到可使元件
效率提升到4.37% 的方式[13] 中，發
現固定退火溫度在110 ℃，改變加
熱時間從0到30 分鐘，其短路電流
只有在10 分鐘時達到10.6mA/cm2 ，
最佳的效率可以達到4.37%( 圖
8[a]) ，但改變P3HT/PCBM 薄膜中溶
劑揮發的時間(時間越短表示揮發
時速度越快)，可以發現越慢的揮
發速率(利用蓋上蓋玻片，增加蒸
氣壓，以減低揮發速度)，可使元
件效率提升，最高可達9.9mA ，同
時也發現串聯電阻也隨揮發速度
降低也減小(最小可達2.4Ωcm2)，
同時，利用TOF 的方式來推估電
(a)
Effi ciency(%) Effi ciency(%)Fill Factor(%)
7 0
6 5
6 0
5 5
5 0
4 5
4 0
3 5
3 0
a
2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0
5
4
3
2
1
2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0
I . . ( m A / c m 2 )
. 1
. 0
. 9
. 8
. 7
. 6
. 5
. 4
. 3
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
T e m p e r a t u r e ( ℃)
T e m p e r a t u r e ( ℃)
T i m e ( m i n u t e s )
A n n e a l i n g a t 1 5 0 ℃
7000
6000
5
5 5000
4
4000
4
4 3000
4
2000
4
1000
4
4
0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5
1 . 6 4 n m
0 . 3 8 n m
2-The(degress)
2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0
0
1
2
3
4
5
6
(b)
Temperature( ℃)
子電洞對的移動率(如圖8[b]) ，發
現慢速成長的薄膜(低揮發速率)，
電子電洞對的移動率比(μe/μh)
越接近1.5 ，而快速成長的薄膜則
因兩者移動率不平衡而相差越多
(μe=1.1×10-4cm2V-1s-1 μh=5.1×
10-6cm2V-1s-1)，尤其是電洞移動率
(Hole mobility) ，推測是來自因電
洞堆積(Hole Accumulation) 及光電
流的空間電荷效應(Space-Charge
Effect) 所導致。此外，在AFM 影像
中(圖8[c]) ，發現與快速成長的高分
子(a)(b) 薄膜相比，慢速成長的高分
子薄膜(c)(d) 在退火前後均有較平的
表面結構，此平坦的結構有助於電
圖9 [a] 退火溫度對填充效率(a) 、短路電流(b) 、光電轉換效率(c) 的影響；[b] 太陽能電池子的收集，提升元件效率。
效率對退火溫度的影響[12] ，鍍鋁陰極前退火(Open Squares) ，鍍鋁陰極後退火(Filled
Squares) ；[c] P3HT ：PCBM 之XRD 光譜，顯示退火後P3HT 之晶格排列程度(Head -to 同年，A. J. Heeger 等人利用
Tail) ，比退火前規則。
50
2007.10 十四卷NO.3
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對P3HT/PCBM 膜做退火處理，在
150 ℃維持30 分鐘的退火條件時，
可以把元件效率提升至5.1% ，同時
短路電流，開路電壓及填充因子，
分別為9.5mAcm-2 ，0.63V 及68%，
此外比較在上金屬電極前後退火對
元件特性之影響(圖9[a]) ，同時也發
現上電極後，再做退火處理，有較
好的元件特性，(圖9[b]) 所示，且在
XRD 圖上可以看出有經由150 ℃退
火處理的P3HT/PCBM 薄膜，有較好
的結晶性，且排列方向均是朝Head
to Tail 的方式(圖9[c]) ，因此，有較
佳的元件效率。
結論
在有機高分子太陽能電池的發
展歷史中，P3HT/PCBM 這兩種有機
高分子半導體材料中是極具有發展
潛力的材料，也是截至目前，可達
最佳光電轉換效率(~5%) 的元件材
料組合，而現今主要的方法中，又
以改變P3HT/PCBM 的比例及退火條
件，這兩項關鍵因素來提升元件效
率，在這類的研究過程中，不斷的
暗示未來假如有機高分子太陽能電
池元件要實際大量生產的話，因受
限於非晶相高分子有機材料本身的
低電荷移動率，ㄧ些處理有機高分
子的製程，尤其是退火，這類能改
變有機物結晶形貌的變因是我們必
須去考慮並執行的。
未來幾十年，有機太陽能電池
雖不能完全取代無機太陽能電池對
人類對能源之需求，但挾帶著有機
半導體材料的優點，卻可提供人們
在無機材料的高生產成本外的一個
新選擇；人的科技發展是日新月異
的，在20 世紀初發展的陰極射線管
電視發展如火如荼的過程中，誰會
預料在21 世紀初的現在，大家會因
鄙視他的笨重，而轉而發展輕薄型
液晶電視，故在主流科技發展的同
時，這類目前雖低效率，但爆發力
十足的有機太陽能電池卻是值得大
家投入心力去研究與發展的。
參考文獻
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[20]P. Schilinsky, U. Asawapirom,
U. Scherf, M. Biele, and C. J.
Brabec, Chem. Mat. 17, 2175,2005.
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相關學術
會議報導
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我的17 th International Vacuum
Congress 經驗交流
楊忠諺
國家奈米元件實驗室
參加17th International Vacuum
Congress 以了解全世界在最先進奈
米材料合成技術的發展趨勢，作
為本實驗室在半導體最新之製程技
術用於下世代元件開發的參考與
借鏡。本會議在瑞典斯德哥爾摩
(Stockholm，Sweden) 舉行。全世界
各大廠商、大學、研究機構從事與
功能性材料技術相關之研究人員踴
躍出席，今年與會的人數超過1300
人。會議的重點集中在材料合成與
檢測方面的應用。此外，如奈米檢
測、奈米化學、奈米光學、奈米生
物、奈米醫藥與顯微技術方面亦多
有所著墨。
17 th International Vacuum
Congress 是結合歐洲真空、表面科
學、奈米科技與材料研究，並由多
家廠商贊助的大型國際會議。其中
聚焦最多的奈米材料合成與檢測方
面的研究與開發則與本實驗室的發
展方向相當接近，所以藉著此次參
加會議的心得與各位讀者分享，希
望能夠為本實驗室未來的研究方向
提供最先進的指標。本次會議內容
集中在奈米材料(Nano Materials) 與
奈米檢測(Nano Characterization) 相
關的研究，包括在
製程整合方面亦有
相當不錯的論文發
表，相當值得我們
學習。
由於奈米技術
的發展非常迅速，
包括功能性材料合
成與製程技術。此
外，由於奈米技術
所牽涉到的材料與製程方法相當具
有多樣性，因此新的微小化製程技
術在奈米製程中也扮演著非常重
要的角色。在國際上幾個相當知
名的研討會議，都是世界各地業界
及學術界所積極參與的，而此17th
International Vacuum Congress 會議
亦是其中在功能性材料製備與應用
方面較具代表性的會議之一。因此
為獲得較先進的功能性材料技術發
展資訊，參加該會議是非常必要
的，可增加對最先進功能性材料技
術之新知，瞭解其發展趨勢。在第
一天議程的內容集中在功能性材料
相關技術，製程則是以奈米粒子合
成為主，另外壁報論文也是會議這
幾天的重點(圖1) 。
會議內容之重點之一是以奈米
化學為主，利用該技術或結合光
譜技術即可產生出一些令人耳目
一新的應用；當天就不同的議題而
有數場邀請演講，其中有兩場邀
請演講令我印象深刻，由加州柏
克萊大學的Somorjai Gabor 教授主
講的Nanochemistry. The Synthesis,
Characterization and Reaction Studies
of Metal (1-10 nm) Monodispersed
Nanoparticles 。和另一場由瑞典
隆德大學的Samuelson Lars 教授主
講的A Narrow-Minded Approach to
Materials Science and Device Physics:
Nanowires 。演講大部份都是來自
學術界，包括德國的普朗克研究所
以及瑞典林雪平大學等，此外，還
圖1 會議現場海報展示。
包括各家掃描探針顯微鏡大廠， 如同研究領域的交流， 如此才能激盪
Veeco 與Park 等。會議第一天後則開出創新的研究課題。
始有壁報的解說， 參展壁報解說則
是在下午舉行， 壁報展大部份都是
由各研究機構所貢獻， 內容則依領
域不同而分開舉行， 在此不一一贅
述。
參加這次會議的主要目的是想
瞭解目前世界上表面電漿共振方面
的研究， 因此， 舉凡與該技術有關
的演講與壁報解說都盡可能參加。
藉由聆聽別人的演講內容， 獲得了
一些在製程上的新穎想法， 更可藉
此機會與相關研究人員直接討論研
究心得。包括以膠體微影(Colloid
lithography) 技術製作奈米金環尤其
令人印象深刻。此外， 改變奈米結
構的尺寸與形狀造成吸收峰位置的
偏移， 亦啟發了新的應用思考。其
中壁報展覽時比較吸引我的是韓國
籍研究人員利用橢偏儀作為表面電
漿共振檢測設備以及各種生物薄膜
的固定技術， 其原理與方法已用數
位相機拍攝， 期能作為本實驗室相
關研究的參考。
在這次會議當中， 與會的學
術機構所發表的論文的特色是作者
利用各種零組件搭配實驗室常見的
儀器， 即可產生新的功能與應用，
如此的想法有助於發展新的研究方
向。目前少數國內的廠商與研究人
員配合得相當好， 這是一個相當不
錯的開始。此外， 在未來應加強不
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相關學術
會議報導
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2007 Symposium on VLSI Technology
會議報導
陳仕鴻
國家奈米元件實驗室
VLSI 技術研討會(Symposium on 工業界奈米元件的最新發展趨勢。出3D 結構的記憶體元件架構， 使
VLSI Technology) 歷年來在積體電路矽奈米電子專題討論會當中，用Punch and Plug Process ， 其優點
技術領域上， 均提供國際與會學者學術界所發表的論文佔多數， 共可大幅增加元件密度， 降低生產成
專家極佳的技術發表與經驗分享交計有24 篇口頭報告論文與64 篇壁報本。在新型記憶體元件方面， 韓國
流機會， 其中多數的參與者皆屬重論文發表， 而VLSI 技術研討會共計三星發表了一種改良式的相變化記
要的半導體元件製造商， 且所發表有86 篇論文發表(218 篇投稿， 約4 憶體結構， 在記憶體中加入散熱材
的先進製程技術， 往往成為各大半成的論文接受率) 。當中有許多重料， 可以顯著地改善元件的可靠
導體雜誌之焦點報導， 可謂積體電量級廠商發表成果， 韓國三星發性，Programming Cycles 約為107。
路技術領域年度最重要的國際研討表的論文最多， 共計15 篇， 領域IBM, Qimonda 與旺宏則使用微孔記
會之一。該研討會於日本與美國兩涵蓋快閃記憶體、下世代非揮發憶單元製程， 依靠回蝕刻與保角沈
地間輪流舉辦， 今年(2007 年)的研性記憶體、金屬閘極製程等各類積， 可以製作40nm 左右的孔洞，
討會則於風光雅致的日本古城－京技術； 而新加坡大學有3篇論文發填入GST 形成相變化記憶體後， 可
都舉行， 為期3日(June 12-14) 。在表， 為學術界的佼佼者。值得注意以降低相變化所需Ireset 的大小。
Symposium on VLSI Technology 前，的是， 在Planar Session 本次會議邀在非揮發性電荷擷取型( Trapped
另有矽奈米電子專題討論會(Silicon 請到Nissan 公司的T. Abo 講述"Future Charge) 記憶體的研究， 三星使用
Nanoelectronics Workshop) 在同地點Vehicle Technologies for Environment Si3N4/Al2O3/Si3N4(NAN) 多層結構取代
展開(June 10-11) 。and Safety" ， 顯示了未來的電子元TANOS 的單層Si3N4(結構， 用以降低
由於此次行程為筆者第一次參件技術研發或製造業發展， 必需同漏電流， 增加了記憶體的操作空間
加矽奈米電子專題討論會與VLSI 技時考量能源與地球環境因素， 才為(~10V) ， 非常適合於多階應用。而
術研討會， 所以會議期間所進行的長久之計。旺宏則提出一種藉由閘極注入(Gate
各領域Technical Sessions ， 多數對在各項元件技術方面， 韓國三Ingection) 模式進行記憶體的抹除
於我來說極具有吸引力。筆者在會星發表了突破性奈米製程技術，(Erase) 和寫入(Program) 動作， 亦即
議前一天抵達日本京都市， 陸續參使用KrF 微影與自我對準兩次圖案穿遂介電層是在閘極氧化層之上，
與矽奈米電子專題討論會與VLSI 技化(Self Aligned Double Patternning) 如此可避免閘極氧化層再多次讀寫
術研討會的各項議程與活動(此行的方法， 可以直接製作3 0 n m 大後的退化， 而產生大量的界面能
尚有林鴻志組長同行)， 收穫可謂小的圖案， 並成功的應用於64Gb 態。Hitachi 研究團隊利用能隙工程
十分豐富， 且也吸取了目前學界或NAND 快閃記憶體。而日本東芝提(Band-Gap Enfineering) 概念， 在記
憶體結構中加入一層的非摻雜多晶閘極製程(DT-MIPS) ， 在多晶矽閘極
矽層於p型摻雜閘極之下， 如此可結構加入兩種不同厚度的金屬，
以降低有效價帶偏移， 增進電洞注用以調變n/pMOS 的Vth 。nMOS 使用
入效率， 抹除速度提升可高達100 Poly-Si/TaN/HfON 結構， 而pMOS 使
倍。用Poly-Si/ 覆蓋金屬層(c-ML)/AlOx/
在熱門的應變矽技術方面，TaN/HfON 結構， 如此設計並未使
新加坡大學使用S i G e S / D 與S i C 用Countering Doping ， 即可得到具
STS (Strain Transfer Structure) 以及有較低且對稱的Vth 值(~±0.35V ) 之
SiC S/D 與SiGe STS 分別用來增加n/pMOS 。
pFE T 與nFE T 的載子遷移率。IBM V L S I 技術研討會所討論的
則利用固態氣相磊晶(Solid Phase 技術主題，2 0 0 7 年較特別之處
Expitaxy) 與離子佈植法， 成長鑲埋在於新增了DFM/DFY (Design for
式(Embeded) SiC ， 在通道所產生的Manufacturability/Yield) Session 。以
拉伸應力高達615MPa ， 且電子遷往Lot-to-Lot/Wafer-to-Wafer/Die-to
移率增加約35% 。日本新力的方法Die 的變異( Variability) 比較受到重
為使用Damascene Gate Process， 視， 而隨者奈米元件尺寸縮小，
利用去除Poly-Si Gate 與加上少許的Within-Die 的變異也不容忽視。如
Recess 製程， 增強了在閘極底部的何將製程技術上的臨界限制與電路
通道區之載子遷移率， 可以有效提設計同時考量， 用以提升製造能力
升元件性能。與製程良率， 已是奈米時代不得不
CMOS 元件整合部分，IBM 探討面對的重要課題。
了改良式的DSL 技術， 以提升65nm 綜而言之，2 0 07 年V LS I 技術
SOI CMOS 製程良率。他們使用濺研討會， 在高介電層/金屬閘極結
鍍的方法， 減少DSL 邊界的的堆疊構、快閃記憶體、新型非揮發性記
區域， 降低了後續接觸洞蝕刻製程憶體、應變矽技術、CMOS 製程整
的難度而提升整體製程良率。在高合等重要領域， 均有來自國際各重
介電層/金屬閘極研究方面， 日本要廠商最新的研究成果發表， 對於
AIST 團隊利用系統性的實驗觀察，未來矽基電子元件技術發展， 實具
發現閘極的Gate/High-k/IL-SiO2/結構關鍵影響力， 參加本研討會將可提
中，Flat-Band Voltage(VFB) 的偏移與供研究工作者， 在先進電子元件技
Gate/High-k 界面並無多大關係， 主術發展上有新的思維與技術趨勢概
要的影響還是來自於High-k/IL-SiO2 念， 可作為未來研究的重要參考方
界面。韓國三星則提出一種雙金屬針。
56
2007.10 十四卷NO.3
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相關學術
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2007 年半導體材料之顯微鏡學
國際研討會
許瓊姿、張茂男
國家奈米元件實驗室
2007 年的半導體材料之顯
微鏡學國際研討會(International
Conference on Microscopy of
Semiconducting Materials XV) 會議在
英國劍橋大學-邱吉爾學院(Churchill
College, Cambridge) 舉行，會議日
期為4月2日至4月5日，主辦單位為
物理學會的電子顯微術與分析研究
群(The EMAG Group of the Institute
of Physics (IOP)) 與英國皇家電子顯
微鏡學會(The Royal Microscopical
Society) 。此次會議主要探討應
用最新穎的穿透式與掃描式電子
顯微術(Transmission and Scanning
Electron Microscopy) 來研究半導體
材料上的結構和電子特性。而最
近其他微結構材料分析技術，如
掃描探針顯微鏡(Scanning Probe
Microscopy) 、X-ray 形貌術(X-ray
To po gr aphy ) 和X射線繞射(X-ray
Diffraction) 法之發展也扮演相當重
要之角色。
此次研討會研討的範圍有：原
成長之半導體材料在塊材與薄膜
型態的特性。(The Characterization
of as-grown Semiconductors in Both
Bulk and Thin Film Forms.) 、從量
子點、量子
線到奈米管等
各類型奈米結
構的研究。
( The Study of
Nanostructures
of All Types from
Quantum Dots,
Wires, etc. to
Nanotubes.) 、
半導體材料中晶格缺陷和雜質行
為的研究。(The Investigation of
Lattice Defect and Impurity Behavior
in Semiconducting Materials.) 、氧
化、氮化、離子佈植、退火及矽
化等半導體製程參數研究。(The
Study of the E ects of Semiconductor
Processing Treatments-Oxidation,
Nitridation, Ion Implantation,
Annealing, Silicidation, etc.) 、已開
發之電子元件的評估，包括結構
缺陷對元件行為的影響和重要的
新設計特性，例如：高/ 低介電
材料。(The Assessment of Finished
Electronic Devices, including Studies
of the Inuence of Structural Defects
upon their Behavior and Important
New Design Features such as High/
Low k Dielectrics, etc.) 、從進階場發
射穿透式電子顯微鏡技術到作為試
片製備的聚焦離子束技術開發，所
有優異分析技術的發展。(The State
of the Art in Analytical Technique
Development from Advances in
FEGTEM Nanoanalysis to Exploitation
of FIB Milling for Specimen
Preparation.) 等精彩內容。
在這次會議中，本實驗室奈
米量測技術組共發表兩篇論文，
題目為「The Influence of Nitrogen
Percentages in InAsN Quantum
Dots on Its Physical Properties 」
以及「The Factors Influencing the
Stability of Scanning Capacitance
圖1 會議地點所在地：英國劍橋大學-邱吉爾學院(Churchill College) 。
圖2( 左圖)參加會議投稿文章海報(右圖) 日本S. Iijima 博士與許瓊姿小姐之合影。
Spectroscopy 」。前者是利用
本實驗室穿透式電子顯微鏡
(Transmission Electron Microscope,
TEM) ，探討量子點結構與材料特
性。後者是利用掃描電容顯微鏡
(Scanning Capacitance Microscope,
SCM) ，探討原生氧化層(Native
Oxide) 及熱氧化層(Thermal Oxide) 間
之介面缺陷行為。其它投稿者大部
分來自歐洲國家，如英國、法國、
德國。亞洲國家只有台灣與日本。
在這次會議中，很高興能與碳微管
(Carbon Nano Tube) 發現者S. Iijima 博
士認識，而他本人表示希望未來能
有機會與本實驗室在碳微管領域上
有所交流。在這次會議中，也聆聽
幾位穿透式電子顯微鏡專家精湛的
演講，如C. Colliex ，這些演講間接
圖3( 左上圖) Rutherford Appleton 實驗室正門口。(右上圖)與崔徵博士之合影(從左：許瓊
姿小姐、崔錚博士、張茂男博士)。(左下圖) 天文衛星展示模型。(右下圖)目前正在興
建同步輻射加速器(圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_Appleton_Labo
ratory) 。
激發未來研究的靈感，也了解目前
各國如何應用電子顯微鏡的研發方
向與發展。例如，有些學者使用聚
斂束電子繞射法(Convergent Beam
Electron Diffraction, CBED) 來獲取不
同相與不同極軸繞射圖形，以利測
定微區晶體的三度空間晶體群。聚
斂束電子繞射法是既方便又實際的
材料分析技術，目前一般穿透式電
子顯微鏡皆有此功能。或是利用掃
描穿隧顯微術(Scanning Tunneling
Microscopy, STM) 探討三五族半導體
材料的微結構形貌，甚至可用雷
射輔助之三維原子探針全像術(3D
Atom Probe Tomography, APT) 呈現
材料結構影像。而此次會議中，探
討最多的材料為量子材料(Quantum
Materials) 或新穎的半導體材料。因
可以利用電子顯微鏡的原子級之影
像解析能力以提供奈米材料原子世
界之原子結構、電子結構與基本物
/化性質等分析。
從這次研討會中，深深體會到
近代材料分析與檢測技術的快速發
展，且材料分析不僅包括傳統的化
學成份、晶體結構分析，也包括材
料表面與界面分析、微區分析、顯
微組織、晶體缺陷、結構相、週期
相等諸多內容，甚至已經進展到可
應用三維模擬影像或分析技術呈現
材料最真實形貌與空間元素分布。
這對未來元件密度日益提高，元件
尺寸急速縮小的積體電路技術及奈
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米材料的應用發展，將更加重要。
此外，藉由此次去英國的
機會，也專程參訪位於Didcot 的
Rutherford Appleton 實驗室並拜
訪崔錚博士，討論未來NDL 與RAL
之合作研究與學術交流可行性。
崔博士為”Micro-nanofabrication
Technologies and Applications”
(Springer, 2006) 的作者，在此次會
面之後，崔博士也於4月13 日受邀
至NDL 演講。此次拜訪行程中，
也有幸見到正在興建中的同步輻
射加速器(Synchrotron Light Source
Diamond) ，其建地約有幾個足球場
大。而Rutherford Appleton 實驗室
目前也積極朝向氣象與天文衛星方
面方展。
2007 國際微波會議報導
黃國威
國家奈米元件實驗室
2 0 0 7 國際微波會議( 2 0 0 7 當熟悉的專家相互交流最先進技of Existing Technologies in a New
International Microwave Symposium, 術與理念的機會；Tutorial-Level Package 」及「CMOS Millimeter-
I M S 2 0 0 7 ) 於6 月3 -8 日在美國夏Wo r k sho ps 則提供參加者對於微Wave MMIC：Real or Bubble ？ 」。
威夷檀香山( H o nol u l u ) 的H aw a i i 波技術新興領域學習的機會；而I M S 2 0 0 7 在6 月5 日早上
Convention Center 舉辦， 此會議每Short Courses 則為一般聽眾複習特由兩場Plenar y Talks 開始整個會
年六月間固定於美國舉辦， 是微波定課題之背景資料及基本理論。期的活動， 分別是Q u a l c o m m
相關領域中最重要之會議， 全球各RFIC Symposium 則在傍晚由兩場全球技術業務資深副總裁A n i l
大廠商、研究單位及大學都會將Plenary Talks 開始整個會期的活Kripalani 以「The Future of Mobile
最重要的成果在此會議提出。在動， 分別是Qu alc o m m 工程資深Broadband 」勾勒未來移動通訊的
會期中， 射頻積體電路會議(RFIC 副總裁Charles Persico 以「Wireless 發展藍圖， 及Yokohama National
Symposium) 亦同時舉行， 基於近年Convergence – Your Phone is Not Just University 醫學資訊與通訊技術中
來射頻積體電路市場之蓬勃發展，a Phone Anymore 」為題介紹手機心(Center of Medical Information
RFIC Symposium 於1997 年起自IMS 的未來應用， 及Northrop Grumman and Communication Technology)
獨立出來， 特別著重射頻積體電路電子技術副總裁Dwight C. Streit 針教授兼主任R y u j i K o h n o 博士以
相關技術。同一星期內另外還有第對未來RF 技術及應用發展趨勢發「The Next Direction of Advanced
69 屆ARFTG(Automatic RF Techniques 表講題「Technology Directions for Wireless Communication Technology
Group)Microwave Measurement Future RF Applications 」。– Medical ICT ！ 」為題發表演講。
Conference ， 及盛大的展覽會， 所6 月4 日仍有1 0 場A d v a n c e d -往後兩天半的時間， 總共有56 個
有這些活動都安排在同一星期內，Level Workshops 、4場Tutorial-Level Sessions 另加4個Interactive Forum
所以從幾年前開始都以Microwave Workshops 及2場Short Courses ， 而以每個時段6 -8 場並行的方式安
Week 來稱呼這一年一度的盛會。同時RFIC Symposium 的論文發表排， 在今年IMS 524 篇入選論文中
整個M ic ro wave Week 於6 月亦正式展開， 依領域區別在6 月我國共佔了34 篇， 總數相較於往
3 日首先以1 6 場Ad v a n c e d -Le ve l 4日有16 個Sessions，6月5日則有年有長足的進步， 然而台灣大學
Wo r k s h o p s 、4 場Tu t o r i a l -L e v e l 14 個Sessions 另加一個Interactive 1 3 篇及交通大學1 0 篇就佔了3 分
Wo r k s h o p s 及2 場S h o r t Co u r s e s Foru m ， 會期間的中午另有兩個之2 ， 發表論文集中於少數學校
揭開序幕， 其中Advanced-Level Panel Sessions ， 分別是「RFID： 的情形仍未改變。另外大會在中
Wo r k shops 提供對相關技術已相New Revolution or Remarketing 午時段安排了7個Panel Sessions，
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分別是「Your GaAs Foundry and 致的發展目標， 而此「Microwave
the Future: Anyone Have Issues？ f o r L i f e S c i e n c e s 」的理念， 亦
Of Course ！ 」、「Is GaN Ready for 正是與I nternational M icrowave
Prime Time ？ 」、「Will RF-MEMS Symposium 及European Microwave
Make the Commercial Leap ？ 」、Conference 並稱世界三大微波會議
「Grant Opportunities at the National 的Asia-Pacic Microwave Conference
Science Foundation 」、「Career 於今年的主題。
Development：Giving Your Career
A Never-Ending Boost 」、「THz
Electronics for the 21st Century 」及
「RF Techniques for Signal Integrity
Engineering 」。值得一題的是， 在
整個會期中每晚都有許多讓大家
互動的社交場合， 從6月3日晚間
RFIC Reception 、6月4日Microwave
Journal Reception 、6月5日Women
in Microwave Reception 及Student
R e c e p t i o n 、6 月6 日I n d u s t r i a l -
Hosted Cocktail Reception 及MTT-S
Awards Banquet 、和6月7日MTT-S
GOLD(Graduates Of the Last Decade)
Reception ， 讓與會者在輕鬆的氣氛
下拓展自己的人脈。
在6月8日另有9場Advancedlevel
Workshops 、3場Tutorial-level
Workshops 及4場Short Courses，
而ARFTG Microwave Measurement
Conference 亦於同日舉行， 整個
Microwave Week 2007 至此畫下完
美的句點。由今年整個發展趨勢
來看， 如何結合Life S ci ence s 及
Microwave-related Technology 以維
護人類生活品質與環境應是大家一
國外學術會議資訊
January 8-9, 2007
Power Amplifier Symposium 2007,
San Diego, CA 92121
http://pasymposium.ucsd.edu/
Tel: +858-534-6713, Peter Asbeck
Mail: asbeck@ece.ucsd.edu
January 9-11, 2007
IEEE Radio and Wireless Symposium
January 23-25, 2007
The 7th Topical Meeting on Silicon
Integrated Circuits in RF Systems,
Orlando, FL, USA
http://www.eng.auburn.edu/
~niuguof/sirf/
March 4-7, 2007
Materials for Advanced Metallization
Conference (MAM
http://www.mam-conference.org/
Tel: +32-16-28-11-74
Mail: Mam2007@imc.be
April 2-5, 2007
Microscopy of Semiconducting
Materials XV
http://conferences.iop.org/msmxv
Tel: +44 (0)20-7470-4800
Fax: +44 (0)20-7470-4900
Mail: conferences@iop.org
May 29 -June 1, 2007
The fty-rst International Conference
on Electron, Ion, and Photon Beams
and Nanolithography.
http://www.eipbn.org/
Tel: +972-792-1648
Mail: jrandall@zyvex.com
May 28 to June 1, 2007
E-MRS 2007 SYMPOSIA, Professor Tony
Cullis, Department of Electronic and
Electrical Engineering, University of
She eld, Mappin Street, She eld, S1
3JD
http://www.emrs-strasbourg.com/
index.php?option=com_content&tas
k= view&id=157&Itemid=1
Tel: +44 (0)114 222 5407
Fax: +44 (0)114 272 6391
Mail: a.g.cullis@she eld.ac.uk
May 15-20, 2007
14th Semiconducting and Insulating
Materials Conference. SIMC-XIV,
University of Arkansas, 248 Physics
Building, Fayetteville, AR 72701, USA
http://www.ibiblio.org/simc/
Tel: +479-575-4084
Fax: +479-575-4580
Mail: simc@ibiblio.org
June 8, 2007
The 69th ARFTG Microwave
Measurement Conference in Honolulu,
Hawaii, as part of Microwave Week
2007, in conjunction with IMS (www.
ims2007.org) and the RFIC symposium
(www.rc2007.org)
http://www.arftg.org/index.html
Mail: info@TheLimtiacoCompany.com
September23-26, 2007
33rd International Conference on
Micro-and Nano-Engineering
http://www.mne07.org/
Tel: +45-4492-4492
Fax: +45-4492-5050
Mail: MNE07@discongress.com
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September 18-21, 2007
International Conference on Solid
State Devices and Materials (SSDM
2007), Secretariat for SSDM 2007c/o
Inter Group Corp., Toranomon Takagi
Bldg, 1-7-2, Nishishimbashi, Minato-
Ku, Tokyo, 105-0003, Japan
http://www.ssdm.jp/DATA/
2007Preliminary.pdf
Tel: +81-3-3597-1108
Fax: +81-3-3597-1097
Mail: ssdm@intergroup.co.jp
September 17-21, 2007
The E-MRS 2006 Spring Meeting
http://science24.com/event/
emrs2007fall/
Tel: 0048-22-6608441
Fax: 0048-22-6608794
Mail: malew@inmat.pw.edu.pl
September 10-14, 2007
9th Annual Conference of the
Yugoslav Materials Research Society,
Institute of Fechnical Sciences of vhe
SASA, Knez Mihailova 35/IV; PO Box
377, 1000 belgrade, Serbia
http://www.yu-mrs.org.yu
Tel: +381(11)185-437; 2636-994
Fax: +381(11)185-263
Mail: yumrs@itn.sanu.ac.yu
November 11-15, 2007
9th International Conference on
Atomically Controlled Surfaces,
Interfaces and Nanostructures.
Department of Applied Physics,
School of Engineering, The University
of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656,
Japan
http://annex.jsap.or.jp/tfspd/acsin9/
Fax: +81-3-5841-7903
Mail: acsin9@exp.t.u-tokyo.ac.jp
December 2007
European Nano Systems (ENS), TIMA
Labs, 46 Avenue Felix Viallet, 38031
Grenoble cdx, France http://tima.
imag.fr/conferences/ENS/#loc
Tel: +33 (0)4-76-57-46-15
Fax: +33 (0)4-76-47-38-14
December 11-14, 2007
Asia-Pacific Microwave Conference,
Institute of Technology, ladkrabang,
bangkok10520, Thailand
http://www.thaihandbook .com/
apmc07/index.html
Mail: Kpchuwon@kmitl.ac.th
奈米通訊
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稿約
一、本刊發行宗旨，以報導NDL 之研發成果、服務績效與動態為主，並希望籍此刊物與深次
奈米業界及學術界持續交流，盼能對學術界及業界提供更好的服務。
二、本刊竭誠歡迎深次奈米各方先進、同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件、資料及圖
件。
三、來稿每篇以一千~五千字為宜，請將稿件e-mail 或郵寄給我們，並請註明「通訊稿件」、
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四、本刊對來稿有刪改權，不願刪改者請於稿件上註明；稿件如有版權爭議，責任概由作者
自行負責。來稿一經刊載，本實驗室將依規定，致贈稿酬。
五、下一期通訊於96 年11 月30 日截稿，歡迎踴躍來稿。
意見回函奈米通訊第十四卷第3期
感謝您對本刊物的支持，我們誠心的希望各位讀者惠賜您寶貴的意見，您對我們的
建議與指正都是促進我們進步的原動力，我們亦將以更豐富的內容呈現給您！請您
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