薄膜、表面與奈米材料
以三選一題型學習表面能、均質與異質成核及臨界核半徑、薄膜的成長模式、膜的熱應力，以及比表面積與量子尺寸效應等奈米材料的特徵。
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薄膜、表面與奈米材料的重點
表面與界面的原子失去了部分鍵結，因此具有額外的能量(表面能、界面能)。新相成核時，體積自由能的降低與界面能的增加互相競爭，只有超過臨界核半徑 r* = −2γ/ΔGv 的核才會成長。在基板或器壁上的異質成核，能量障壁較小。
薄膜依表面能的平衡與晶格不匹配，以層狀、島狀，或先層狀後島狀的模式成長。與基板熱膨脹的差異會產生 σ = EΔαΔT/(1 − ν) 的熱應力，成為翹曲、剝離與導線不良的原因。將粒子縮小到奈米尺寸，比表面積增加，量子尺寸效應與奧斯華熟化也會變得明顯。
薄膜、表面與奈米材料的題目列表（12題）
- 關於金屬晶體表面能的敘述，下列何者正確？
- 在均質成核中，設形成半徑r的球狀核時的自由能變化為 ΔG = (4/3)πr³ΔGv + 4πr²γ。界面能 γ = 0.10 J/m²、單位體積的自由能變化 ΔGv = −2.0×10⁸ J/m³ 時，臨界核半徑 r* 最接近下列何者？
- 在異質成核中，設核與基板的接觸角為θ，形成臨界核所需的能量為均質成核的 f(θ) = (2 + cosθ)(1 − cosθ)²/4 倍。θ = 60° 時 f(θ) 最接近下列何者？
- 在相同過冷度下比較時，異質成核臨界核的曲率半徑與均質成核的臨界核半徑相比會如何？
- 在薄膜的成長模式中，關於Stranski-Krastanov（SK）成長的敘述，下列何者正確？
- 設基板的表面能為γs，膜的表面能為γf，膜與基板的界面能為γi。容易發生島狀（Volmer-Weber）成長的條件為下列何者？
- 將矽基板（線膨脹係數2.6×10⁻⁶ K⁻¹）上的鋁膜（楊氏模數70 GPa，蒲松比0.35，線膨脹係數23×10⁻⁶ K⁻¹）由無應力的125℃冷卻至25℃。設基板足夠厚，膜中產生的熱應力 σ = EΔαΔT/(1 − ν) 的方向與大小為下列何者？
- 在矽基板上以高溫形成熱氧化膜（SiO₂，線膨脹係數約0.5×10⁻⁶ K⁻¹），再冷卻至室溫。設矽的線膨脹係數約為2.6×10⁻⁶ K⁻¹，因熱膨脹差而在氧化膜中產生的應力為下列何者？
- 將球狀粒子的直徑由1 µm縮小到10 nm時，單位體積的表面積（比表面積）變為幾倍？
- 縮小CdSe等半導體奈米晶體（量子點）的粒徑時，發光的顏色會如何改變？
- 在高真空（例如10⁻⁴ Pa左右）下進行真空蒸鍍的主要理由，下列何者正確？
- 將母相中分散著大小不同析出物粒子的合金在高溫下長時間保持時，所發生的奧斯華熟化（Ostwald ripening），下列敘述何者正確？