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奈米分析揭密:掃描式電子顯微鏡的不可或缺性!

奈米分析揭密:掃描式電子顯微鏡的不可或缺性!

勀傑科技 編著

奈米(Nanometer)是一個長度單位,表示十億分之一公尺,常用符號為nm。

奈米尺度是微小世界中的一個範圍,處於宏觀世界和分子世界之間。在奈米尺度下,物質的性質和行為可能會有明顯的差異,且與物質的尺寸相關。許多材料在奈米尺度下會表現出特殊的物理和化學性質,這種現象稱為「蓮花效應(Lotus effect)」。

什麼是奈米粒子

奈米粒子是指尺寸介於1到100奈米之間的微小粒子,其特殊之處在於尺寸接近分子和原子,這使得奈米粒子具有一些與大尺寸物體不同的性質和行為。

舉個例子來說,假設有一個正方體的邊長是10公分。這個正方體的表面積為600平方公分(每個面都是100平方公分),體積為1000立方公分。現在,如果我們將這個正方體分成許多小正方體,每個小正方體的邊長為1公分(即原正方體的十分之一)。這樣一來,我們得到的小正方體的數量為1000個,而它們的總表面積為6000平方公分,總體積為1000立方公分。總表面積增加十倍。

奈米粒子

也就是說,當物體變成更小的粒子時,總表面積會變得更大,而這種特性會賦予奈米粒子一些獨特的性質,例如更高的反應活性、更好的導電性和光學性能等。

而在說到奈米的時候,不得不提到另外一個同樣是微小的長度單位:「微米」。微米是比奈米稍大一些的單位,表示即千分之一公尺。其跟奈米之間的差距是一個量級,1奈米等於0.001微米。換句話說,奈米是微米的千分之一。

微米的符號是μm。通常用於描述細胞、細菌等相對較大的物體。

奈米粒子的特性

由上可知,奈米是比微米還要更小更小的單位。以微米為單位的東西,大概還可以使用光學顯微鏡來觀察,但若是微小到奈米等級的話,就必須使用電子顯微鏡(SEM)才能觀察到。

以下是一些奈米粒子的特性:

1. 比表面積增加:

奈米粒子相對於其體積而言,具有極大的表面積。由於奈米粒子的尺寸非常小(介於1~100奈米),因此相同質量的奈米粒子具有比同質量的宏觀粒子更大的表面積。這使得奈米粒子在相互作用和反應方面表現出更高的效率,並且可以吸附更多的分子和原子。

2. 表面效應增強:

奈米粒子的表面與體積之比相對較大,這使得表面效應在其性質和行為中佔據主導地位。奈米粒子的表面原子和分子與周圍環境之間的相互作用更加顯著,這可能導致催化活性的增強、吸附能力的提高等效應。

3. 尺寸量子化效應:

在奈米尺度下,材料的電子和光學性質受到量子效應的影響。奈米粒子的能帶結構和能階結構與宏觀材料不同,並且能階之間的能量差異變得更大。這導致了奈米粒子在光學、電子和能量轉換等方面表現出獨特的特性,例如發光性、量子點效應和能階調控。

4. 生物相容性和穿透性:

由於其極小的尺寸和特殊的表面特性,奈米粒子在生物體內具有良好的穿透性和生物相容性。這使得奈米粒子在醫療和生物學應用中具有潛力,例如用於靶向藥物傳遞、醫學成像和生物檢測等。

為什麼要進行奈米粒子分析(微結構分析)?

Phenom電子顯微鏡下的藥物粉末粒子
Phenom電子顯微鏡下的藥物粉末粒子

由以上可知,微觀世界對現階段來說還有許多值得探索的地方,而且因為其跟宏觀材料特性不同的關係,有時候甚至會具有一定的危險性,那又為什麼要進行奈米粒子分析呢?這大概是因為有以下幾個原因:

1. 瞭解材料的微觀結構

奈米粒子的大小、形狀、分佈和排列方式都會影響材料的性質和行為。透過微結構分析,可以觀察和分析奈米粒子的結構特徵,包括晶格結構、晶界、缺陷、表面形貌等,從而理解材料的性能和功能。

例如陶瓷材料的細緻度會影響商品柔韌性和可加工性,藥物顆粒的大小會影響在人體內的吸收率和藥效發揮的速率。如果在生產以上材料時加入奈米分析技術,那自然可進一步的優化材料的性能。

2. 優化材料性能:

奈米分析可以提供關於奈米材料結構和性能之間的關聯性的重要訊息。通過評估奈米粒子的結構特徵,可以優化材料的特性,例如提高強度、硬度、導電性、磁性等。藉此分析,可以指導材料設計和製造過程,以實現所需的性能目標。

3. 檢測和分析缺陷:

奈米分析也可以幫助檢測和分析奈米材料中的缺陷。奈米粒子的製備和加工過程中,可能會存在缺陷,如晶圓缺陷、異質界面、位錯等。而這些缺陷可能是肉眼不可見的,但透過奈米分析,就可以檢測出這些缺陷的存在和分布情況,評估其對材料性能的影響,並提供改進製程的建議。

4. 品質控制和一致性檢測:

奈米材料的生產通常要求高度的品質控制和一致性。奈米分析可以用於確定奈米粒子的尺寸分佈、形狀一致性和結晶度等關鍵特性。透過這些分析,可以評估產品的一致性和品質,並確保符合設計和規範要求。例如使用奈米級的鎳粉做為火箭固體燃料的反應觸媒,可以大幅度提高燃料的燃燒效率,並且改善燃燒的穩定性。

5. 探索新材料和新應用:

奈米粒子分析也可以用於探索新材料和新應用領域。通過瞭解奈米粒子的微觀結構和特性,可以推動新材料的開發和應用創新。這對於設計具有特殊性能的材料,應用於奈米技術、能源、電子、醫學、環境等領域都具有重要意義。

奈米科技崛起:奈米分析為產業效能注入新活力

Phenom Pharos 桌上型掃描式電子顯微鏡
Phenom Pharos 桌上型掃描式電子顯微鏡

或許奈米科技在普通人眼中只是一個聽說過的資訊,但事實上,自從2010年之後,奈米技術已經在各個技術領域發展的愈來愈專業化與細緻化,並且在生活當中無處不在,因此奈米分析也漸漸顯得愈發重要。

以下就是一些奈米技術應用於各產業的例子。

1. 半導體電子產業:

a. 半導體製造:奈米粒子在半導體製造中用於製作微小結構和元件,例如晶片和積體電路。台灣的半導體晶片目前聞名國際,就是因為奈米技術,台積電在2020年第一季已經開始量產5奈米製程晶片,據說2022下半年已經開始量產3奈米製程晶片,為目前全球領先,並預計2025年量產2奈米晶片。

b. 顯示技術奈米粒子被用於製造高解析度、高亮度和廣色域的顯示器,奈米級的塗覆材料在通電以後可以呈現出高飽和度和廣色域的的影像,甚至可以製造偏光材料或光學磨,以改善顯示器的視角特性。還可以用作柔性基材(Flexible substrate)被整合到可彎曲的摺疊顯示器。

2. 醫療和生物技術產業:

a. 藥物傳遞:奈米粒子被用作藥物載體,可以改善藥物的溶解度、穩定性和釋放特性,以提高治療效果。除此之外,奈米技術可以實現藥物的靶向傳遞,即將藥物送達到特定的組織、器官或細胞。透過調整奈米粒子的大小、表面特性或功能化,可以實現對特定病灶的選擇性傳遞,從而提高藥物在病灶處的療效,同時減少對正常組織的損傷。

b. 生物成像:奈米粒子可以用於生物成像技術,例如磁性奈米粒子可用於磁共振成像(MRI),金屬奈米粒子可用於表面增強拉曼散射(SERS)成像等。

3. 材料科學和工程:

左圖:聚合物共混物分散體的SEM國像。右圖:雨種聚合物材料的泡沫孔結構的SEM圖像

a. 塑料和聚合物奈米填料可以被添加到塑料和聚合物中,以增強材料的機械性能和熱穩定性。例如,添加奈米粒子可以提高塑料的強度、剛性和耐磨性,同時降低材料的蠕變和熱膨脹性。除此之外,奈米技術可以在塑料和聚合物表面形成抗菌層,這在食品包裝、醫療設備中可以起到極大用處。

b. 陶瓷和複合材料:奈米粒子可以添加到陶瓷和複合材料當中,用於增強材料的硬度、強度和耐磨性,提高材料的性能和耐久性。

c. 紡織產業奈米粒子在紡織產業中的應用可以賦予紡織品新的功能和性能。例如,添加抗菌奈米粒子可以製造具有抗菌性能的紡織品,而添加防水奈米粒子可以製造防水透氣的紡織品等等。

4. 環境和能源產業:

電池的絕緣薄膜在SEM當中的成像
電池的絕緣薄膜在SEM當中的成像

a. 太陽能和儲能:奈米技術可以用於製造太陽能電池中的活性材料,例如奈米結構的二氧化鈦、氧化鋅等。這些奈米結構能夠提高光吸收效率,增加光電轉換效率,從而提高太陽能電池的性能。

此外,儲能材料──以電池為例──生產週期其實非常冗長,並涉及多個生產流程,透過電子顯微鏡(SEM)可以分析關於電池結構以及化學組成,以確保原料粉體尺寸(俗稱粒徑分析)、電池層與層中是否有污染物、絕緣薄膜中恐洞的尺寸與方向等等……由此可以更有效率的生產出節能有效的儲能設備。

5. 化妝品和個人護理產業:

a. 奈米化妝品:奈米粒子被用於化妝品和個人護理產品中,例如防曬霜、護膚品和彩妝產品,除了可以提供更好的光學效果和使用體驗之外,還能讓吸收更為簡單,增進使用效果。

6. 食品和農業產業:

a. 食品添加劑:奈米粒子被應用於食品添加劑中,例如抗菌劑、防腐劑和營養補充劑,以提高食品的安全性和品質。

a. 農業改良:奈米粒子被用於農業產品中,例如農藥載體和植物生長調節劑,以提高農作物的生長、抗病性和產量。

奈米分析的必備利器:SEM掃描式電子顯微鏡!

奈米技術電子顯微鏡

由於奈米技術深入了人們生活的方方面面,微觀分析工具自然也不可或缺,掃描式電子顯微鏡就是一種重要的奈米分析工具,不只能廣泛應用於觀察顆粒的形貌、結構和尺寸的測量,還可以獲得高解析度的表面圖像,進一步研究細小顆粒和固體樣品。

在奈米分析中,SEM電子顯微鏡具有以下特點:

1. 高解析度:

SEM能夠提供極高的空間解析度,通常在奈米至亞奈米尺度範圍。這使得研究人員能夠觀察和分析顆粒的微小特徵和結構,並取得更詳盡的表面形貌信息。

2. 奈米粒徑分析:

SEM在奈米粒徑分析中是一種常見的工具。使用者可以透過SEM來觀察和測量顆粒尺寸,了解其分佈情況。這對於奈米材料的研究和應用非常重要,例如在藥物製劑、材料科學和環境監測等領域。

3. 表面形貌分析:

使用者能透過SEM直接觀察樣品的表面,顯示出細微的表面紋理、凹凸和結構。這對於分析材料的表面拓撲和形貌特徵至關重要,特別是對於奈米材料的研究。

4. 奈米結構分析:

SEM可用於觀察和分析奈米結構,例如奈米顆粒、奈米線和奈米薄膜等。這些奈米結構的特性和形貌對於理解材料的光學、電子、力學等性質至關重要。

奈米分析如今不僅在科學研究上佔據了重要的地位,也存在於日常生活的方方面面。在眾多科學家與各國支持之下,奈米技術如今已經有了長足的發展,並廣泛應用於電子產品、醫療診斷、能源存儲、材料改良等領域。

而這些應用的成功背後,正是奈米分析所提供的深入了解和控制微觀結構的能力。SEM便是通往微觀世界的門票與道路,希望讀者在看完本篇文章以後,能對奈米分析有一些了解,並稍稍領略微觀世界的神祕與迷人。

SEM掃描式電子顯微鏡,為什麼選擇勀傑?

勀傑科技代理Thermo Fisher Scientific旗下的Phenom Desktop SEM,與作為科學服務領域的全球領導者Thermo Fisher Scientific,一同幫助客戶加速科學研究、解決複雜的分析挑戰、提高實驗室生產力。Phenom系列的桌上型掃描式電子顯微鏡主打輕巧便利、輕鬆入手顯微分析,儀器體積僅一臺電腦桌機大小,卻能突破至奈米等級解析度的性能,加上精心設計的直覺式使用者介面,解決了落地式電子顯微鏡一直以來無法克服的繁瑣又複雜操作程序,Phenom桌上型掃描式電子顯微鏡已成為高端研究中不可或缺的儀器。

除了電子顯微鏡性能決定整體分析結果外,樣品的前製備與實驗室環境改善也是關鍵因素之一,勀傑科技全面代理了電鏡影像解決方案相關儀器,通過診斷改善客戶的實驗室環境健康、研發和生產製造等問題,提供一條龍一站式設備及技術諮詢服務,讓使用者可以輕鬆上手不同的微米及奈米顯微分析工作。

以下為勀傑科技獨特的優勢:

1.擁有專門領域分析的SEM機種

Thermo Fisher Scientific旗下的Phenom桌上型掃描式電子顯微鏡官方團隊獨家開發了多款專門用於Desktop SEM機型分析的先進工具,其中包括 Particle X Desktop SEM 粒徑分析專門機、Fiber Metric Desktop SEM 纖維分析專門機、GSR Desktop SEM 槍枝殘留物/鑑定分析機以及 PPI 客製化工作流程 Desktop SEM 等,不僅具備卓越的性能,還能達到奈米級的影像解析度,這對於進行更深入、更精細的奈米顯微分析非常有幫助。

Particle X Desktop SEM:粒徑分析專門機專為顆粒粒徑分析而設計。它能夠以極高的解析度觀察和測量微小顆粒的大小和形狀,為粒徑分析提供準確而可靠的數據。

Fiber Metric Desktop SEM:纖維分析專門機能夠對不同類型的纖維進行觀察,幫助用戶深入瞭解纖維的結構、形態和特性,並提供關鍵的數據支持。

GSR Desktop SEM:槍枝殘留物/鑑定分析機是法醫學、犯罪學、考古鑑定學等領域開發的一項專門工具。能夠對目標表面之殘留物進行高精度的分析,幫助專業人士進行犯罪現場調查、鑑識分析等工作,提供重要的科學證據。

PPI 客製化 Desktop SEM:透過Thermo Fisher Scientific官方的 PPI 功能,可達到將 Phenom Desktop SEM 結合其他應用,亦可實現顯微分析智能辨識、檢測自動化,以及全面客製化符合使用者需求的工作流程,展現無與倫比的高自由度。

除了上述機種,Phenom團隊還有開發其他專門分析功能及型號,無論是哪一款桌上型SEM機種,Phenom的產品均具備出色的微米/奈米級解析能力,可以滿足客戶的各種需求並推動科學研究和應用發展。

2.齊全的電子影像相關產品

除了SEM電子顯微鏡,勀傑科技還提供一系列多樣化的電鏡影像相關產品,從SEM、TEM顯微鏡儀器環境檢測,到SEM、TEM、FIB樣品前製備儀器,其中包括如濺鍍機、離子研磨機、電漿清洗機和改善環境干擾的主動式消磁器、主動式防震台、顯微鏡防罩隔音箱等。

為了減少環境干擾對影像品質的影響,勀傑˙科技代理Spicer Consulting主動式消磁器,可以消除AC/DC磁場對SEM顯微鏡、TEM顯微鏡等精密儀器的EMI磁場干擾。同時,也代理HERZ主動式防震台和HERZAN防罩隔音箱,能夠有效減少震動及噪音聲波對實驗的影響,提供更穩定的顯微分析環境。

濺鍍機能夠濺鍍不同元素的靶材於樣品表面上,以減少電荷累積所產生的荷電效應;離子研磨機能精確控制樣品的切割和研磨拋光,以確保樣品形狀和尺寸;電漿清洗機可以有效去除樣品表面的污染物及表面改質,有效提升元件封裝、黏著、失效分析之可靠度。

因此不論是進行材料研究、生物學分析還是其他科學領域的實驗,勀傑科技齊全的電子影像相關產品就是您所有問題的答案。

3.一站式服務

奈米研究各個環節密切相關,從中細分出的各種環節更是瑣碎,如果每個環節都尋找不同的廠商顯然累人又難以控制。

勀傑科技基於多年從事電鏡影像專業經驗,服務範圍涵蓋了各個關鍵步驟,也由此可以提供使用者一站式服務,從環境量測和監測到樣品前製備,再到桌上型SEM,勀傑科技都可以提供完整的解決方案。也就是說,只需要聯絡勀傑,您就不需要尋找多家廠商,一切需求跟問題皆可在勀傑科技得到滿足。藉由一站式服務快速釐清問題源頭,整合性地提出解決辦法。

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