科普講堂 4

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信用卡分類為: 普卡、金卡、白金卡及鈦金卡，其中

鈦金卡最為尊貴，如圖1。鈦(Titanium)化學符號Ti，原

子序22，是一種銀白色的金屬，其特徵為重量輕、強度

高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力。鈦最有用的

兩個特性是:抗腐蝕性及金屬中最高的強度－重量比。在

非合金的狀態下，鈦的強度和鋼相若，但卻輕很多，中

鋼公司積極發展鈦金屬，並推出鈦杯，如圖2.中鋼鈦杯。

鈦是西元1791年由格雷戈爾(R.W. Gregor)牧師，於英國康

沃爾郡發現，他把這項發現呈報給皇家地質學會，另外

寫了一篇論文發表在德國的科學雜誌上。4年後，由德國

化學家克拉普洛斯(M. H. Klaproth)確認此新元素並以希臘

神話泰坦(Titans)的名字命名為鈦(Titanium)。由於它的高

抗拉強度－密度比、優良的抗腐蝕性、抗疲乏性、抗裂

痕性及能夠抵擋高溫，鈦合金被用於航空太空工業。生

產波音737/ 777及787等客機及空中巴士客機，要用到大

量的鈦金屬。日常生活中鈦金屬可用於眼鏡框架，表面

鍍上氮化鈦(TiN)薄膜成黃色，氮化鈦具有耐磨抗刮痕等

特性圖3鈦金屬眼鏡框架。

鈦的化合物二氧化鈦(TiO2)最常使用於日常生活中，

如圖4二氧化鈦為白色粉末，可用於製造白色顏料，日常

生活中二氧化鈦可用於牙膏、白色修正液、油墨顏料、

塑膠添加物，化妝品及食品添加物等生活必需品中。21

世紀以來「環境保護」及「綠色能源」已成為全球人類

最迫切需要創新的二大議題，最近幾年世界各地的研究

機構無不積極地投入人力及物力資源以進行研發。其中

用於日常生活中傳統二氧化鈦的尺寸主要介於300奈米至

600奈米間，呈現白色粉末。科學家發現奈米二氧化鈦

的尺寸介於 15奈米和25奈米間，呈現透明薄膜並且具有

光觸媒特性，奈米二氧化鈦為感光性半導體，能夠吸收

小於 436奈米波長的紫外光電磁幅射，其介於價電子帶

( Valence Band)和傳導電帶( Conductivity Band)的能量差

異為3.05電子伏特。奈米二氧化鈦吸收紫外光後會產生

電子激發從價電子帶轉移至傳導電帶，電子激發後留下

的電洞(Electron Hole )則向相反方向移動，奈米二氧化鈦

固體表面的氧化還原反應(Redox Reaction)因此產生。奈

米二氧化鈦光觸媒在紫外光電磁幅射光源照射下利用特

定波長光源的能量來催化產生氧化還原反應作用，使周

圍之氧氣及分子激發成具有活性的．OH 及．O2 自由離

子基，這些氧化力極強的自由基離子能夠分解對人體或

環境有害的有機物質及部份無機物質。製造氧化威力強

大的自由基能使奈米二氧化鈦光觸媒具有抑菌、殺菌、

無毒性、脫臭、親水及自潔等特性，促成奈米二氧化鈦

日常生活中不能沒有"鈦"施錫龍

國家奈米元件實驗室／微影光罩組

圖 1　 信用卡分類為 : 普卡、金卡、白金卡及鈦金卡，其中鈦金卡最尊貴。

奈米通訊NANO COMMUNICATION 22卷 No.4

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日常生活中不能沒有"鈦"

光觸媒成為理想環保產品。光觸媒能有效防止煙塵、花

粉、細菌、病毒、有害氣體的危害。以光觸媒產生的強

效氧化作用，去除捕捉到的浮游細菌，去除率高達百分

之九十九。而光觸媒產生強效氧化，使通過光觸媒的空

氣中病毒的蛋白質氧化變質，如此可以讓病毒不具活性

化，抑制病毒活動。並可分解汽車排出的廢氣、油漆及

裝潢材料發出的建材異味，去除有害氣體，並且可以除

臭。奈米二氧化鈦光觸媒具有氧化還原功能，結合太陽

光能以環境保護為主要訴求[1-3]。

奈米二氧化鈦光觸媒可應用於殺菌除臭及防污方

面，包含吸附，光化學反應及脫附等反應機構。奈米二

氧化鈦光觸媒將有毒有機化合物去除可以如下化學反應

來表示:

Organic molecules → CO2 + H2O

Organic N-compounds → HNO3 + CO2 + H2O

Organic S- compounds → H2SO4 + CO2 + H2O

Organic Cl- compounds → HCl + CO2 + H2O

圖5表示奈米二氧化鈦光觸媒是在光源照射下利用特

定波長光源的能量來產生催化作用的反應機構。

瑞士科學家格雷策爾(Gratzel)教授[4]於西元1991年採

用奈米結構的二氧化鈦電極材料及可見光吸收染料，產

生光電效率超過百分之十二的太陽能電池。奈米二氧化

鈦染敏太陽能電池的工作原理主要結合奈米二氧化鈦電

極與可見光吸收染料而製造出高效率電子轉移介面的元

件，避開傳統太陽能電池需要昂貴半導體晶圓材料，可

說是第三代太陽能電池。此類型太陽能電池的工作原理

是藉由染料做為可見光吸收光材。染料中價電層電子受

圖 2　中鋼公司鈦杯。

圖 3　 鈦金屬眼鏡框架，表面鍍上氮化鈦薄膜成黃色。

圖 4　 二氧化鈦白色粉末。

圖 5　 奈米二氧化鈦光觸媒是在光源照射下利用特定波長光源的

能量來產生催化的作用 [5]。

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html光激發，氧化鈦跳躍至高能階層，進而傳導至奈米二氧

化鈦半導體的導電帶，再經由電極引至外部。失去電子

的染料則經由電池中碘及碘化鉀電解質得到電子，電解

質是由碘(I) 及碘離子(I3+)溶解於有機溶劑中形成。此型電

池的結構為三明治結構，上下均為玻璃，玻璃內面則為

導電層。奈米二氧化鈦染敏太陽能電池的元件結構如圖6

所示。

氮化鈦(TiN)塗層廣泛用於金屬表面以保持機械模具

的耐腐蝕性，如鑽頭和銑刀，氮化鈦薄膜可用於微電子

領域，作為半導體元件金屬接點之間的導電阻擋層。而

將薄膜擴散到金屬矽中，它的電導率（30-70μΩ•cm）

足以形成良好的導電連接。這種特殊的導電阻擋層還具

有陶瓷的化學及機械性能，此技術大量用於當前的奈米

晶片設計中以提高電晶體的性能。圖7為氮化鈦(TiN)在半

導體元件金屬接點之間的導電阻擋層示意圖。

由於鈦的生物相容性(無毒及不被人體排斥)，鈦在醫

學上有廣泛應用，鈦有一種固有的骨骼融合特性，使得

鈦製的牙科植入物能在原位上逗留30年。這種特性對整

形植入物而言亦相當有用。使用鈦的好處還有鈦較低的

彈性模數(楊氏模數)，與骨較為接近，植入物是以修補骨

骼為目的而設計。因此骨骼負重會更平均地分布於骨及

植入物之間，這樣會減低骨質流失的機會，圖8.為鈦金屬

用於人工假牙。

參考資料

[1] Taoda Hiroshi 著，張晶，楊健 譯(2003)，光觸媒圖

解，城邦文化事業股份有限公司，台北市。

[2] ht tp : / /203.145.193.110/NSC_INDEX/Journa l /

EJ0001/9304/9304-10.pdf

[3] http://ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_INDEX/Journal/

EJ0001/9411/9411-09.pdf

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Gr%C3%A4tzel

[5] http://www.photocatalyst.co.jp/

[6] http://pv.energytrend.com/knowledge/DSSC_20111202.

圖 7　 氮化鈦 (TiN)在半導體元件金屬接點之間的導電阻擋層示意

圖。

圖 6　 奈米二氧化鈦染敏太陽能電池的元件結構 [6] 。

圖 8　 為鈦金屬用於人工假牙。