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物理固自然：觀看和搬移原子–前沿奈米科技

94/11/07 18969

鄭天佐｜中央研究院院士／物理研究所特聘研究員

原子分辨率顯微術

物質是由「原子」組成，這種概念來自古希臘哲學家，現在我們知道原子是物質具有化學特性的最小單位。透過顯微鏡直接觀看物質中原子的排列，是很多科學家的夢想，尤其是現在，當大家公認奈米科技是21世紀非常重要的發展方向時，利用原子解析度顯微鏡直接觀看和搬移原子，已經成為很多科學家的願望。

當玻璃表面是凹或凸的曲面時，透過玻璃望過去，對面的東西看起來大小會改變，這是一般人都知道的事。也就是說利用玻璃折射光線的原理，我們可以得到樣品的放大影像，光學顯微鏡便是利用複合透鏡放大樣品的影像。可惜這種顯微鏡受限於光線的繞射現象，以至於即使發展至今已有四百多年歷史，我們仍然無法看到小於300奈米左右的東西。原子的大小在0.1至0.3奈米之間，光學顯微鏡當然更使不上力。

歷史上首次能看到原子的顯微鏡是場離子顯微鏡（FIM），它是米勒（Erwin W. Müller）在1951年發明的。今年，當我們在慶祝愛因斯坦1905奇蹟年100周年時，碰巧也是米勒在1955年首次利用FIM看到原子的50周年。美國顯微鏡學會和賓州州立大學各舉辦一場研討會紀念這個科學史上的里程碑。筆者在米勒教授的指導下獲得博士學位，後來又成為他實驗室的繼承人，因此對這歷史時刻懷有特別的情感。

1981年賓尼（G. Binnig）與羅勒（H. Rohrer）等人發展出具有原子解析度的掃描隧道顯微鏡（STM），也能看到樣品表面的原子排列，而且對樣品材料和形狀的限制較少，樣品也可放在空氣或液體中，因此應用範圍非常廣泛。

STM利用穿隧電流的控制成像，如果把STM稍微改變一下，用探針和樣品表面原子間的作用力來成像，就成為原子力顯微鏡（AFM）。這種顯微鏡可用在絕緣體和生物分子的觀測上，也可達到原子解析度。當然我們也可以用磁性或靜電作用力的大小來成像，也就是說這類顯微鏡很有彈性，可應用在不同物理性質與材料結構的檢測上。

此外，電子顯微鏡也可看到原子，它的原理類似光學顯微鏡，以聚焦電子束來成像。1924年德布羅意提出物質波理論，他認為電子也具有波動性質，而且波長可由電子能量加以改變，只要提高能量，波長便能縮短，繞射現象造成的解析度限制也就能減低，而且可以達到原子解析度。電子顯微鏡現有穿透和掃描等款式，已廣泛應用在生物和材料科學的研發上，而且穿透式電子顯微鏡也已達到原子解析度。

奈米材料結構的特性

從基本物理的考量，奈米材料結構至少有下列獨特的性質。第一是奈米材料結構有一大部分的原子暴露在表面，所以表面現象特別顯著，而且表面原子具有化學觸媒作用。第二是由於材料中電子的波長剛好在奈米左右，所以這種結構的量子性質特別顯著，也因此我們常聽到「量子點」和「量子線」等名詞，而量子點也被稱為人造原子。

量子點可用在染料和固態雷射上，材質可以是金屬或半導體顆粒，只要改變顆粒大小便可改變染料和雷射光的顏色。至於磁性奈米顆粒，則可用於製造高密度非揮發性記憶體。這種記憶體用於電腦，只要電源一開，先前的畫面會馬上呈現在銀幕上，不用重新從光碟或磁碟中把資料調出來，所以一旦發展成功，電腦運作手續會方便不少。

至於什麼是量子線？當電線短到電子通過時沒有機會因碰撞而失去部分能量時，電子的通過就不會產生熱，這種電線沒有電阻，所以叫做量子線。量子線並不因沒有電阻而能通過無限大的電流，原因是電阻不再是正確的物理概念。我們該用的是電導，而電導是量子化的，也就是說它有一定的大小，不受量子線的粗細和長短所影響。

電子既然有波動性質，那在金屬表面運動的電子會不會像池塘中的水呈現干涉波紋呢？答案是肯定的。也因電子有波動性質，絕緣層的厚度減少到接近電子波長時就會失去絕緣性質。我們所用電子元件中的絕緣層厚度已經減小到只有幾個奈米，不超過10年，厚度就會再減小到1奈米左右，到那時絕緣層開始嚴重漏電，我們所用的電晶體便會失效。這類問題如果不解決，電子工業就會停頓下來。

其實利用原子分辨率顯微鏡，科學家已經能夠搬移原子，製造原子尺寸的結構，那為什麼我們不直接進入原子科技呢？事實上日本政府在1990年左右曾經大量投資，研究原子科技的可能性。但是那個每年6至7億的大型研究計畫，除了學到一些基礎科學知識外，並沒有創造出原子科技。

其實由基礎物理概念就會知道原子科技有很多難於解決的問題。其一便是製造技術困難，但是更嚴重的則是難以克服的熱穩定性和化學穩定性，因為表面上的個別原子在室溫下是會到處跳動的，而且人造表面原子結構也很容易被氧化和破壞。

原子搬移技術

發展奈米科技，一方面必須想出製作奈米材料結構的技術，或從自然界尋找可供利用的奈米材料結構，然後釐清這些結構的獨特物理性質，之後才能利用這些結構製造我們想要的產品。自從歐美日等國家大力推動奈米科技的研究後，新技術如百花齊放，應有盡有。中研院物理所奈米研究團隊也成功製造出，破世界紀錄的高熱與化學穩定性，高度只有1.5奈米左右的金字塔。至於何種技術會被大量採用，則要由這些結構的效能、穩定和可靠度，以及各種經濟因素來決定。

傳統上要製造小東西總是先用銳利的刀子把塊材逐步削小，也就是由大而小的製作方法。在電子元件的製造上，用微影和蝕刻技術結合薄膜製造方法就可在矽表面上，大量製作小到幾十奈米的結構。

事實上現在電腦裡的中央處理器，其電晶體結構已經小到90奈米左右。而且這些結構每年還在縮小中，再過10年現在運用的電晶體原理可能會因尺寸太小而失效，如何透過研究找出解決方法是奈米科技的重要任務。當然奈米科技不只應用在電子和光電科技上，在材料性質的改良和能源科技的應用上也有很大的發展空間。

另外一個製造人造奈米結構的方法是利用原子之間的作用力，由原子與分子自行組裝成奈米大小的原子團或大分子，而這些原子團和大分子再自行組織成我們所要的排列。這種從下而上的製造方法的好處是簡單，靠自然的作用力，只要調節成長的物理條件，不用花太大精力就能大量生產。缺點是很少材料會按照我們的需求自行組裝和組織，也就是說很難做有效的控制。

由於篇幅有限，這裡只介紹幾種利用STM的原子與分子操縱術的簡單原理。米勒發現利用場蒸發現象可以把針狀樣品表面上的原子一個個在低溫時蒸發掉，而筆者在1972年也能把吸附在小表面層中心區域的原子，以電場梯度移動到表面層邊緣台階處。這些技術在某種程度上就是一種人為的原子操縱。1990年，IBM科學家艾格勒等人首次利用STM，逐步移動吸附在鎳表面上的氙原子，把它們排成「IBM」字樣，從此搬移表面原子，把它們排列成我們想要的形狀不再只是幻想。

一般表面的原子在室溫以下就會開始運動，所以這些人造原子排列結構是不穩定的。室溫下穩定的人造原子結構首先由日立公司細木等人做出來，他們利用STM探針的高電場，把二硫化鉧表面的鉧原子場蒸發，寫成「PEACE‘91」字樣。最近大阪大學森田教授研究群也成功地利用原子力顯微鏡搬移表面原子，並以錫原子取代鍺表面層中的原子寫下「Sn」（錫）字樣，這種結構在室溫下仍然很穩定，但製作方法非常繁瑣。

由於人造原子結構的化學和熱穩定性不好，加上讀和寫都不易，在可預見的將來很難實用，倒是利用類似原理製造奈米尺寸結構比較有可能實用化。

利用STM和AFM及場蒸發現象和化學勢能梯度所產生的原子運動，可以用來製造奈米尺寸的表面結構。中研院物理所奈米研究團隊就曾利用STM畫成一幅臺灣圖案。研究人員首先利用高電場在真空中把矽表面的原子場蒸發，再以寬約1.5奈米的原子空位畫成臺灣圖形，它在室溫下雖然穩定，但在空氣中一下子就被氧化了。研究人員另利用化學勢能梯度引發原子運動，再用金質探針的原子在金表面上點成直徑約15奈米左右的點，這結果在室溫和空氣中都是穩定的。

上面所舉例子其實是沒有實用價值的，因為用單一STM製作奈米結構速度實在太慢。但是速度問題可以利用微機電系統（MEMS）以平行運作方式來解決，世界上很多高科技公司都往這方向發展，一個非常成功的例子便是瑞士IBM實驗室開發出來的「千足」。

「千足」顧名思義是利用約1千支用電流加熱的AFM探針，以電腦控制在多分子薄膜上打洞，同時也用這些探針讀取資料。因為洞的直徑可小到10奈米左右，這種記憶體在郵票大小面積內的容量可與數十張DVD相比，一旦發展成熟，在手機和電腦上的應用會非常可觀。

小就是美

今年是世界物理年，我們再談談物理與科學及產業技術的關聯。物理是一切科學的基石，物理的真正進步始於文藝復興時期，是自由思想百花齊放的結果。伽利略實驗科學的認知，克普勒行星運行三定律，牛頓萬有引力和力學三定律，法拉第和馬克士威爾的電磁感應、場概念與電磁波是集古典物理的大成。從古典物理的應用發展出今日所稱的傳統產業。

20世紀是物理進步最快速的世紀，蒲朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意、海森堡和薛丁格等人所創造出來的量子力學和愛因斯坦的相對論，把我們從宏觀和主觀的世界帶進了微觀和客觀的世界，深刻影響了日後化學、生物學和宇宙學，以及各種現代科技如化工與材料、生醫與製藥、半導體與資訊和太空與國防等科技的進步。也因為在20世紀中，物理澈底改變了人類的生活方式和思維模式，因此愛因斯坦被美國《時代》雜誌評選為「20世紀的風雲人物」，而今年我們也同時慶祝愛因斯坦1905奇蹟年100周年紀念。

工業進步依賴物理和科學的發現與新技術的開發，產業革命以來，工業產品尺寸和重量愈來愈小，先是火車、輪船、汽車和鋼架建築，接著是各種家電用品，現在更是進展到高科技資訊產品。用品小的好處是節省製造和運作所需能量和材料，非常符合環保與人類永續發展的條件，其實也是科技發展所需，因為小代表的是高密度、高效能、高靈敏度和高運轉速度。更重要的是世界上大部分的人都有機會享受科技的果實，而不至於嚴重破壞地球生態環境。因此作者一再地強調，奈米科技就是「小而美」的科技。

誌謝：本文所採用的圖片是由中研院物理學研究所表面與奈米科學實驗室成員所提供。

附錄

場離子顯微鏡（FIM）　FIM的基本結構很簡單，在FIM內裝上金屬針樣品，利用冷井把樣品冷卻至絕對溫度20度左右，另在FIM內充入少許氦氣，並在樣品針上加正高電壓，樣品表面附近的氦原子便會被離子化。在正高電場的加速下，離子會射向螢光幕而產生光點，表面原子結構的離子影像便會呈現在螢光幕上。場離子顯微鏡因為是利用高電場來離子化氦原子，樣品必須能夠抵抗這種高電場才能成像，因此它只能用於十幾種金屬和其合金的研究，應用範圍極為有限。

掃描隧道顯微鏡（STM）　STM有相互垂直的3根壓電材料，只要改變這些材料兩面間的電壓，就能改變其長度，裝置在其中一支腳上的探針便會做三維的掃描。在探針和樣品間加上電位差，以電子回饋線路控制穿隧電流的大小，使得掃描時探針和樣品間保持等距，如此就能把樣品的形貌描繪出來。當探針尖細到原子尺度時，我們便可看到樣品表面的原子排列。

資料來源

《科學發展》2005年11月，395期，38 ~ 43頁

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