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總 計 畫：奈米科技創新教育資源之研發與推廣中心
子計畫一：前瞻奈米製程－樂高奈米建築師
子計畫二：前瞻奈米檢測－奈米畫廊
子計畫三：二維材料－動手做諾貝爾物理實驗
子計畫四：奈米產品及安全－名偵探之真假奈米
「前瞻科技創新教育資源研發暨應用推廣計畫」
子計畫二：陳顯禎、林俊佑
1. 106學年度實踐四子計畫分配五週課程共20週(理論課程與實作課程並作)
2. 主要貼近生活化、應用層面以及實作3. 可提供高中教師教學手冊4. 教材e化以利推廣至普羅大眾
轉化教材(簡化與生活化)(105/07/01-106/06/30)教材開發(前瞻與創新)
(104/07/01-105/06/30)
實踐課程(推展與探索)(106/07/01-107/06/30)
1. 106/02/08-09 種子教師培訓營2. 106/03/14 教材開發研討會3. 五月可擬出教案初稿
六月可提供完整教案、實驗材料包- 高中：完整教案(含四大主軸)- 國中小：融入現有生活、數學教育
4.106年五月中旬- 前瞻計畫成果展
前瞻奈米科技研發與推廣
種子教師培訓營
活動目的：邀集台南高雄地區(以市郊/偏遠地區為主)高中教師參與，透過課程安排，促使培訓後的種子教師將前瞻奈米科普知識擴及到各高中，引發中學生對奈米科技議題的興趣和好奇心，並學習運用前瞻奈米知識解決問題及討論社會議題。活動時間：106/2/08-09 09:00-17:00活動地點：成功大學微奈米中心/交通大學光電學院
理論課程
動手實作
種子教師培訓營回饋
課程回饋
半導體微穎的基本光學觀念 藍晒圖實作課程很好，希望可各學員皆手作一份並且希望可設計更方便取得之材料以利回校進行教學
石墨烯與二維材料介紹 • 吸管模型很平民化、容易推廣• 手機光譜儀課程製作與組裝可望更詳盡一點
石墨烯量子點與光學檢測介紹 光譜分析建議再簡化以利推廣至學校
半導體材料及故障分析和奈米產品安全評估 • 奈米安全值得省思，應納入更多科技討論• 課程些許過於學術化，希望可再簡化，避免過多程式說明
教學現場建議
半導體微穎的基本光學觀念 • 光學概念較薄弱，可望透過其他概念說明• 材料需便利取得尤佳
石墨烯與二維材料介紹 • 對新材料介紹，可望從應用面著手，較能引起學習動機• 於化學課程<網狀物質>章節可帶入
石墨烯量子點與光學檢測介紹 • 教材內容較艱深，恐不利於社會組學生學習• 對國小而言，只能透過實驗了解光的特性，例如繞射、散射
半導體材料及故障分析和奈米產品安全評估 • 可多提供更多生活化實例，較有感• 物理範疇，與化學較無相關
總回饋
• 實驗+理論很不錯• 教材難度需再降低
• 建議多推廣微奈米中心• 若無法實物說明，現亦可採用軟體模理解釋以便理解
1. 實作+理論，相輔相成2. 教材可望難度降低3. 議題新穎，增加知識
轉化教材(簡化與生活化)研討會
一.會議時間3/14(二) 10:00~14:00
二. 會議地點交通大學光電學院
三. 會議流程10:00-12:00分組討論
奇美館 R32512:00-14:00綜合討論(用餐)
1F 深緣及水餐廳
四. 出席人員(除四位主持人與博士及助理外)台北市立百齡高中 湯慧娟老師(化學)高雄市路竹高中台南市國立新化高中 黃純杏老師(數學)台南市國立台南一中 蘇麗淑老師(英文藝術)台南市聖功女中台南市崇明國中 張文貴老師(物理)
課程大綱與實施場域時間理論與實作並重(探索與實作)
課程名稱：半導體科技與前瞻奈米材料
理論 實驗
單元一：前瞻奈米製程－樂高奈米建築師 (第一 ~ 五週)
1. 電的開關-電晶體 & 減法與加法3. 光與影的生產術-奈米微影製程5. 離子搬運工-電漿蝕刻製程
2. 動手做實驗I4. 動手做實驗II
單元二：前瞻奈米檢測－奈米畫廊 (第六 ~ 十週)
1. 奈米材料之發光特性2. 光致發光現象3. 石墨烯量子點
4. 石墨烯量子點光譜特徵5. 實驗結果與討論
單元三：二維材料－動手做諾貝爾物理實驗 (第十一 ~ 十五週)
1. 石墨烯材料
3. 二維材料MOS2
2. 動手做實驗Ⅰ4. 動手做實驗Ⅱ5. 光學檢測
單元四：奈米產品及安全－名偵探之真假奈米 (第十六 ~ 二十週)
1. 電子束成像---原理及實作2. 奈米材料及元件4. 奈米技術產品功能及安全
3. 案例討論I5. 案例討論II
實施場域：臺南市國立新化高中高雄市國立路竹高中臺南市崇明國中臺南市新光國小
課程學分：2學分
課程時間：2小時/堂
課程綱要：四子計畫各分配五週課程共20週(理論課程實作課程並重)
石墨烯量子點與前瞻光學檢測實驗內容與器材
大尺寸小尺寸GQDs
LUMO
HOMO
電子能帶彈珠台
能量
低
高
光子
電子
GODs的電子能帶示意圖量子化是奈米世界中一個普遍的現象：能量是不連續的。
波動說(繞射)
電子可以經由吸收或發射特定能量(頻率)之光子由一個能階躍遷到另一個能階
微粒說(光電效應)
繞射光柵
原創者及資料來源：交通大學光電學院、成功大學化工系、微奈米中心—生醫暨非破壞性分析團隊
光子
電子 大尺寸小尺寸GODs
LUMO
HOMO
電子能帶彈珠台
能量
低
高
電子可以經由吸收或發射特定能量(頻率)之光子由一個能階躍遷到另一個能階
吸收、
放出螢光
大尺寸小尺寸GODs
LUMO
HOMO
電子能帶彈珠台
能量
低
高
不吸收、
穿透
石墨烯量子點與前瞻光學檢測實驗內容與器材
光子
電子大尺寸小尺寸GODs
LUMO
HOMO
電子能帶彈珠台
能量
低
高
電子可以經由吸收或發射特定能量(頻率)之光子由一個能階躍遷到另一個能階
電子分子能階圖
吸收雙光子、
放出螢光
石墨烯量子點與前瞻光學檢測實驗內容與器材
一.材料
1. 紫光雷射筆(405 nm)1支2. 樣本瓶3～4瓶3. 純水
4. 不同尺寸氧化石墨烯量子點3～4種5. 黑色紙箱1件6. 凸透鏡2個7. 雷射筆固定架1支8. 凸透鏡固定架2支
石墨烯量子點與前瞻光學檢測實驗內容與器材
二.實驗步驟
1. 將6 mg氧化石墨烯量子點溶於約3 mL純水於樣本瓶中
2. 將黑色紙箱挖孔讓雷射通過，並開一觀察視窗
3. 固定紫光雷射筆(箱外)4. 調整兩凸透鏡距離，使光線均勻通過樣本瓶(箱內)5. 盡量減低外在光線的影響
6. 觀察不同尺寸氧化石墨烯量子點水溶液所發出之螢光
備註：
1. 紫光雷射筆功率5 mW以下即可
2. 要注意雷射光方向，避免眼睛直視
石墨烯量子點與前瞻光學檢測實驗內容與器材
培養科學素養，提升對奈米產品認知，主動關心
奈米議題
培養學生運用學習知識並連結實際生活(如半導體產業)
配合107學年度新課綱『探索與實作』
成果的未來應用價值
13
國立成功大學光電科學與工程學系 林俊宏
國立成功大學微奈米科技研究中心 鍾崇仁
3-3-2017
總 計 畫：奈米科技創新教育資源之研發與推廣中心
子計畫一：前瞻奈米製程－樂高奈米建築師
子計畫二：前瞻奈米檢測－奈米畫廊
子計畫三：二維材料－動手做諾貝爾物理實驗
子計畫四：奈米產品及安全－名偵探之真假奈米
105年度「前瞻科技創新教育資源研發暨應用推廣計畫」
•樂高建構模型•日光顯影實驗包•動畫影片
前瞻奈米製程
E化推廣種子教師培訓營 (含理論、無塵室導覽)
前瞻奈米製程
光與影的生產術-奈米微影製程
電的開關-電晶體
離子搬運工-電漿蝕刻製程
減法與加法
電的開關－動手做樂高電晶體
導電樂高方塊
絕緣層 Oxide layer
電磁鐵樂高方塊
閘極Gate
+
＋
Source Drain
利用樂高演繹電晶體之操作由閘極加電壓，吸引下方金屬球而導通電路
原創者及資料來源:• Dawon Kahng and Martin M. (John) Atalla• 成大光電系 & 微奈米中心—奈米微影製程團隊
加法與減法－樂高奈米建築師
1. 先宣布最終須完成之結構2. 請學生自行完成結構，並請幾位同學分享其
建造流程3. 由老師指出流程中無法與半導體製程匹配的
做法4. 示範標準製造流程5. 請同學實際以標準流程製作
2016/2/25 新化高中
原創者及資料來源:• Dawon Kahng and Martin M. (John) Atalla• 成大光電系 & 微奈米中心—奈米微影製程團隊
光與影的生產術－日光顯影實驗包
動手操作、體驗教學、無塵室情境教學
2016/1/28 & 2017/2/8 種子教師研習營
原創者及資料來源:• Sir John Frederick William Herschel• 成大光電系 & 微奈米中心—奈米微影製程團隊
前瞻奈米製程105前瞻轉化成果展品設計概念
奈米(半導體)怎麼製造
• 電的開關－動手做樂高電晶體• 加法與減法－樂高奈米建築師(互動式啟發教學)• 培養學生前瞻奈米製程
科學素養• 奈米知識生活化• 理論、應用與實作結合
國立成功大學微奈米科技研究中心
林光儀
3-3-2017
105年度「前瞻科技創新教育資源研發暨應用推廣計畫」
奈米科技創新教育資源之研發與推廣中心
子計畫三：二維材料－動手做諾貝爾物理實驗
轉化主題：石墨烯
在白紙上製作石墨烯教材準備
利用生活週遭隨手可得材料，運用簡單物理原理，成功做出諾貝爾物理實驗。
利用6B鉛筆在A4紙上塗畫石墨烯薄片，利用不同長度和寬度之線條與不同形狀之圖形，依據LED燈泡發光亮度之變化，探討石墨烯薄片導電性之差異。
A. 測試不同長度與寬度 B. 測試不同圖形
彎曲曲線 田字圖形2
二維材料－動手做諾貝爾物理實驗(1/3)原創者及資料來源:2010諾貝爾物理獎
奈米表面與磊晶技術團隊
利用透明膠帶轉印石墨烯 使用三用電錶測量電阻值
成功複製諾貝爾實驗之實際體驗，了解石墨烯材料被如何被發現之過程，啟發創意思考。
A. 利用膠帶黏貼鉛筆塗黑處
B. 用LED燈泡測試
可顯示電阻值
藉由三用電錶量測不同長度和寬度之線條與不同形狀圖形之電阻值，可與LED燈泡發光亮度比較，探討電阻值、導電性與發光亮度之物理觀念。
A. 利用三用電錶量測
232 kΩ
68 kΩ物理觀念：導電性 ∝ 1/電阻 ∝亮度 3
二維材料－動手做諾貝爾物理實驗(1/3)
轉化主題：石墨烯
教材準備石墨烯原子排列 二維材料結構 用便利貼組成各種結構
利用特殊設計之石墨烯圖案便利貼，更簡易呈現石墨烯之原子排列。
石墨烯sp2原子排序
藉由便利貼的厚度與長寬之關係，更容易了解二維材料之結構。
2D結構
0D: C60
1D: 奈米碳管 4
二維材料－動手做諾貝爾物理實驗(1/3)
石墨烯便利貼
轉化主題：過渡金屬硫化物
• 自從石墨烯在2004年被製備出來並獲得2010年的諾貝爾獎以後，二維材料是近年來在科學期刊上常常看到的研究對象----單層的二硫化鉬(MoS2)。
• 二維材料具有非常特別的物理性質，在電子及光學元件上都有極高的應用價值。
5
MoS2天然晶體，為六方最密堆積的晶格結構，具有良好的潤滑性、抗壓耐磨。
二維材料－動手做諾貝爾物理實驗(2/3)
利用 3M膠帶撕出單層MoS2，將二維薄膜從塊狀結構撕下來。
原創者及資料來源:科學期刊
光學非破壞性分析團隊
高中基礎物理第二主題「物質的組成」
第八主題「量子現象」
6
VS.S
Mo
Top view Side view
,C
Top view
二維材料－動手做諾貝爾物理實驗(2/3)
導體性質不發螢光
半導體性質且發螢光
7
利用吸管製作MoS2單層分子模型
種子教師研習營
MoS2晶胞
硫原子
教材準備
六方晶格
8
單層MoS2的螢光 vs 手機光譜儀
單層MoS2
為直接能隙
拍攝的光譜影像
手機光譜儀成品
材料: PVC管膠帶、DVD
Ref: http://a-chien.blogspot.tw/2012/09/webcam.html
能隙
能量
K(波向量)
導帶
價帶
復合激發放光
高中
基礎物理第六主題「波」
第八主題「量子現象」
結合基本科學知識與動手做實驗培養學生前瞻奈米材料的科學素養
成功大學醫學系1，微奈米中心2，汎銓公司3
張志欽1*、蔡美玲1、顏秀芳2，廖興盛3
3-3-2017
奈米科技創新教育資源之研發與推廣中心
子計畫四：奈米技術產品及安全－名偵探之真假奈米
「前瞻科技創新教育資源研發暨應用推廣計畫」
轉化主題 ：電子顯微鏡影像對比要素
晶體繞射效應教具
• 設計教具動手做: 簡單雷射筆+市售光柵片 • 由高中教師試用，教材容易操作 驗明正身
穿透式電子顯微鏡可以檢驗奈米產品的： (1) 尺寸形貌: 原子到100奈米尺度 (2) 成分分析: 元素表B5-U92
(3) 晶體: 單晶、多晶、非結晶繞射圖形
??繞射圖形為什麼有點狀跟環狀??
電子波 遇見 規格排列的原子 繞射!! 延伸學習~
請用紅色與藍色雷射光打在不同位置上看看
A B C D 位置A: 雷射光經過光柵片會產生繞射，nλ=2d sinθ當改變入射波長時繞射長度也會改變。 位置B: 當兩片光柵片夾15度擺放，會出現兩組夾15度的繞射圖形。 位置C: 當三片光柵片夾15度與30度擺放，會出現三組夾15度與30度的繞射圖形。 位置D: 重複B與C的概念，增加到五片光柵片，點狀繞射圖形呈現環狀排列，開始可以看到多晶材料典型的環狀繞射圖案。
說明看這邊~
創作：微奈米中心奈米材料分析團隊
液態奈米影像展
金奈米粒子成長 活體人類乳腺癌細胞
氯化鈉的結晶
虱目魚魚鱗 膠原蛋白
3D果蠅腦部 細胞凋零
游移的細菌 大龍蝨之前肢剛毛 膠原蛋白纖維
建立教案資料庫
轉化主題 ：液態奈米檢測
Lattice image
nanoCaCO3
創作：微奈米中心及汎銓公司
轉化主題 ：半導體材料及故障分析 「如何在半導體中尋找失效的奈米元件材料」教案
基礎理論應用 案例討論 問題導向學習 激發國教生想像思考能力
原創：汎銓公司及醫學系
TEM (plan view)
TEM (cross-section)
InGaAs Contact VC Poly VC
abnormal
abnormal abnormal
診斷過程 圖解卡通化
轉化主題：奈米毒性機制及加速試驗
「奈米技術民生藥妝產品功能及安全評估」教案
原創：醫學系及微奈米中心
[3rd year]
前瞻科學知識轉化、國高中教案開發 問題導向案例討論、培養科學素養
Appreciate your comments and suggestions!!
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