分子級拼圖：LB技術如何利用液體來組裝薄膜？

在1920年代，朗繆爾-布羅傑特液相技術的發展使得我們可以達成分子級薄膜的精確控制，這項技術由美國科學家歐文·朗繆爾與凱瑟琳·布羅傑特共同開發，他們透過液體的表面張力來控制分子，在靜態水面上構築單層分子，並逐步堆疊出高度均勻的薄膜，就像在水面上拼裝材料一樣，LB技術的發展為奈米製程提供了一個更為靈活的途徑，目前仍在工業與學術界被廣泛使用，能為科技產品帶來不同的附加價值。

撰文｜黃鼎鈞

奈米科學的研究促使了現代科技的高度發展，為了不斷地在科技上有所革新，我們不僅要在材料本質上有更深層的理解，在材料製備上的技術也須不斷改善。在奈米薄膜的製程中，需要能精準地佈局材料分子，確保材料的本性能如實呈現，又要建立高度純淨的製備環境，確保材料的品質，並且避免非預期的化學反應，如果有無限的資金，要達到以上的條件當然不困難，但事實並不是如此，如何控制成本並能獲取商業利益，才是困難的所在，也是讓工程師頭痛的地方。有一種薄膜技術不需要在高真空與高溫中進行，還能製作大面積的奈米薄膜，且其設備設置簡單，也就是液相沉積法。

液相沉積法

液相沉積法透過液體介面來組裝材料，通常只需要常溫及常壓下進行，包含以下幾個步驟，第一，準備與沉積材料相對應的溶液，使待沉積的材料均勻地分散或溶解於溶液中，第二，這些分子或離子可以通過化學反應或物理吸附，如氧化還原反應、化學鍵合和靜電吸引，進而使材料分子相互連結形成薄膜，第三，在這些過程中，可以透過調整溫度、濃度、pH值或沉積時間等參數，來控制薄膜的厚度、組成及結構。以無機鹽溶液製備氧化鋅 (ZnO) 薄膜為例，通常在一開始會將硝酸鋅(Zn(NO₃)₂)​ 或氯化鋅 (ZnCl₂) 加入去離子水中，這些無機鹽在水中溶解後，會釋放出Zn²⁺的離子，接著，緩慢加入氨水或氫氧化鈉溶液，調節 pH 值至鹼性，誘導Zn²⁺離子和OH⁻離子反應生成氫氧化鋅 (Zn(OH)₂) 沉澱，此沉澱在加熱或適當的溫度條件下，會分解成氧化鋅 (ZnO)，薄膜逐漸附著於基板表面。

精確控制薄膜的液相法: Langmuir-Blodgett技術

在了解液相沉積法後，我們繼續來認識一套備受矚目的實驗工具—朗繆爾-布羅傑特（Langmuir-Blodgett，簡稱LB）分子組裝技術。LB技術的發明要追溯到20世紀早期，這一技術得名於兩位傑出的科學家——歐文．朗繆爾 (Irving Langmuir) 和凱瑟琳·布羅傑特 (Katharine Blodgett)，朗繆爾是美國第一位榮獲諾貝爾化學獎的科學家，而他也是凱瑟琳·布羅傑特父親的前同事，在1917年時，由歐文·朗繆爾提供了研究助理的工作，使得凱瑟琳·布羅傑成為了美國通用電器（General Electric，簡稱GE）的第一位女性科學家（註：通用電器是當時的電器大王愛迪生所開設的公司），且在歐文·朗繆爾的鼓勵下，進入英國劍橋大學就讀，在1926年成為了該校系第一位女性物理博士。在歐文·朗繆爾以及凱瑟琳·布羅傑在GE工作的期間，他們發現，當特定分子鋪展於水面並受到壓縮時，這些分子會自我組裝成單分子層薄膜，並可被轉移到固體表面，這一個技術使得科學家能進行「分子級」的材料組裝，而這項技術正是奠基在朗繆爾-布羅傑特獲獎的研究基礎上。

LB沉積法怎麼做？

傳統液相沉積法是透過攪拌促發化學反應來形成薄膜，而LB 技術利用液體表面張力控制分子在水面上的排列，使兩性分子的親水端朝向水面，疏水端朝向空氣，進而在水面上自發形成有序排列，接著，利用可動的壓縮欄桿將水面上的分子進行橫向壓縮，這一外力使分子之間克服障礙產生鍵結，最後，緩慢地將固體基板，如玻璃、矽晶圓片等，垂直插入或拉出水面，使單分子層轉移到固體表面，不僅如此，透過重複此步驟，可以將單層薄膜疊加形成多層結構，因此，LB 技術能夠精確控制每一層的分子薄膜，製備出高度均勻的單分子層或多層薄膜，相比之下，傳統液相法則難以達到如此精準的薄膜厚度控制，不過，LB製程需要在「風平浪靜」的靜態液面上進行，不像傳統液相沉積法是在攪拌的溶液中進行，因此對環境的穩定性要求較高。

LB技術能夠製備具有均勻厚度、特定排列和高穩定性的薄膜，甚至在近年還能被用以成長二維材料石墨烯，特別的是，單分子層的組裝能夠為材料帶來更多元的性質，就像是有一些人會自行組裝電腦，讓電腦更適合為某些用途來運行。然而，LB技術也有其限制，首先，LB製程對材料選擇有限，只適用於具有兩性分子的材料，無法製備多數無機和非極性分子薄膜，且製備速度相對較慢，雖能製作大面積薄膜，但不適合大規模生產，因此，目前LB技術更適合高附加價值的特殊應用，而不是低成本的批量製造，不過，相比於依賴高真空與高溫環境的製程，LB技術確實提供了更經濟的替代路徑，雖然無法完全取代主流製程，但在追求科學與商業需求的平衡中，LB 技術在特定要求下提供了更多製程組合的可能，就像速食餐廳中更經濟實惠的「配餐」，此外，這套技術也讓科學家能以更簡便的方式進行材料合成與組裝，開啟更多材料研究的可能性。

參考文獻

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