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奈米級的精益求精–鄭天佐院士

身為一位科學家,鄭院士扮演人類進入原子尺度的先鋒,但也常常遇到一些巨觀難以想像的問題,他十分樂於發現新現象與解決實驗難題。
 
 
 
身為一位科學家,鄭天佐院士扮演人類進入原子尺度的先鋒,但也常常遇到一些巨觀難以想像的問題,他十分樂於發現新現象與解決實驗難題。雖然剛開始時在科學界未必能遇到知音,可是研究本身的樂趣依然讓他在這個領域持續探索,努力不輟。

鄭天佐院士是研究表面物理與奈米科學的先驅學者,他的論文指導教授米勒(Erwin W. Muller)博士在 1951 年發明了場離子顯微鏡(field ion microscope, FIM),讓人類第 1 次可以確切看清原子在半球形細針頭上整齊排列的樣貌。2000 年,美國物理學會為慶祝成立 100 周年所出版的《20 世紀物理》一書中,就特別介紹這項發明。2005 年夏天,美國顯微鏡學會和賓州州立大學各舉辦一場研討會,紀念人類看到原子 50 周年,也是以米勒教授當年的成就為劃時代的里程碑。

鄭院士師承米勒,率先利用具有原子解析度的FIM研究初萌芽的表面物理。後來雖然還有解析力一樣高且適用範圍更廣的掃描穿隧顯微鏡(scanning tunnel microscope, STM)等儀器的發明,但是不少當年鄭院士所用的方法和概念仍被陸續採用。他和他的研究團隊在科學上的成就有目共睹,因此榮膺2007年總統科學獎。

FIM 的原理

FIM 的樣品是很細的針,必須先用電解腐蝕細線的方式製備。然而它最初的表面是非常髒亂的,得加高壓電場使外圍髒亂的原子蒸發,留下原子尺度平滑的表面,再充入像氦之類的成像氣體,氦原子就會受到電場極化而飛向針尖。當它靠近針尖時,有一定比率的氣體分子會形成游離的粒子,這些離子於是沿著電場方向飛離。

如果在適當的位置安放螢光幕,便可觀察到明暗的變化。這代表著離子流的大小,也就是樣品表面上的電場強弱分布,而這又關係到導體表面的曲率。如果確認樣品表面是同一平面,那麼只有原子的形狀會造成曲率變化,螢光幕上的明暗分布也就是被放大的表面原子的排列型態。

研究所生涯與初試啼聲

鄭院士在 1963 年修讀碩士的時候就跟隨米勒教授做研究,當時 FIM 已經發明成形,但是米勒教授希望研究生能量測場離子的能量分布,以闡明其中的物理原理,鄭院士便接下這個艱鉅的任務。一開始許多人都不看好他,因為有位輟學離去的學長已經在這方面花了兩年多的功夫,卻沒有任何進展。

然而鄭院士接收這個實驗後,便與米勒教授一起檢視整個實驗裝置,他們仔細考量實驗系統零件組裝的形狀和所產生電場的對稱性,最後決定重新設計系統。幾個月後,令人興奮的數據陸續出來,連米勒教授都引以為傲,在研討會上也得到其他學者的肯定。鄭院士很快便以這項成果獲得碩士學位。

攻讀博士時,鄭院士先著手檢驗一個疑似概念錯誤的實驗,然而這個辛苦的過程只提高了精確度,卻沒有創新的發現,因此還得再找更好的題目。幾次討論後,鄭院士接受老師提出「從場離子顯微鏡中鑑別不同原子」的挑戰。這個重要的主題已由米勒教授本人著手進行了兩、三年,研究的對象是鉑鈷各半的有序合金,利用其晶體模型與 FIM 的實際影像比較,但始終不得要領。

鄭院士投入後,很快就了解到之前的問題在於晶體方向鑑定的錯誤,因此他定出幾個克服困難的步驟。首先,需要取得晶格非常規律的樣品影像;其次,以角度關係鑑別出正確的晶體方向;最後,則是比較模型和影像裡某些特定表面原子的差異。

影像出來時並不完全符合預期,鄭院士略為沉思後發現,原來只有鉑容易造成氦原子的離子化,因此在 FIM 影像中只能看到鉑原子,而鈷原子是幾乎無法成像的。這實在出人意料,也難怪其他人百思不得其解。有了這樣福至心靈的突破,鄭院士只花幾個月的時間,便把困擾同行多年的問題解決了。

鄭院士是位思考嚴謹、行為踏實、態度懇切的人,因此他對實驗的要求很多。當米勒教授對他能辨識出鉑鈷合金中不同的原子影像而大表讚賞的同時,鄭院士卻意識到只使用鉑鈷各半的配方組合的樣品,還不能斷定看到的是哪一種元素,因此堅持使用成分不對稱的鉑鈷 3 比 1 的比例合金再進行觀察。然而這種比例的合金不容易買到現成品,因此他又自行研發化學分析的新方法,待實驗確認自己想法無誤,終於完成一篇立論嚴謹、實驗精確的博士論文。

其後幾年,師生兩人又一起合作,針對含鎳的鎢合金或含鎳的鉬合金進行觀察,同樣發現鎳原子在 FIM 影像中幾乎無法出現。這種結果在 STM 出來後,維也納科技大學也有人在 25 年後觀察到鉑鎳合金(PtNi3)與鉑釕合金(PtRh)有類似的情況。然而就 STM 的影像而言,這是因為鎳和銠在表面的原子,其電子密度較小所造成的。

原子探針的改進

米勒教授在 1967 年還發明了原子探針的技術,這是 FIM 再加上測量飛行時間的質譜儀裝置,可用來測量表面粒子所帶的電荷與質量(在這裡就是指原子量)的比值,有助於了解特定位置的原子種類,可以逐層分析表面的原子層。

然而這種裝置採用的電壓是奈秒脈衝,僅適用於金屬導體,對於 70 年代很多科學家感興趣的半導體無法派上用場。鄭院士為此提出採用奈秒或更短的雷射脈衝來激發表面原子的場蒸發,可惜當時米勒教授已經過世,很多資深科學家對這個想法嗤之以鼻,導致鄭院士無法以這個研究申請到經費。

但他卻不因此而氣餒,於是借用他人的儀器設備,在有限的時間內,順利完成別人認為不可能的實驗,並把原子探針的研究範圍擴大到重要材料半導體、甚至絕緣體中各類物理現象的探討,也提高了儀器解析度達 1,000 倍。這項技術現已廣被採用。

微觀世界中的奇妙發現

鄭院士在 1972 年開始研究金屬表面上單顆原子的無序運動,也首先發現兩個樣品表面兩原子之間的作用力,只有普通化學鍵的十分之一,這個發現在 1 年後相關理論才成形。此外,還觀察到原子間作用力似乎會有起伏振盪,他與學生還發現有些表面上所謂單原子在那兒隨機跳動,其實卻是它往下擠出一個原子,自己取代該原子的晶格位置,而被擠出的原子又如法炮製地去把底下的一個原子擠出,自己隱身進去。

起初,這個新奇發現令他們遲疑,但恰巧理論學家也有同樣的計算結果,於是得到印證。另外,鄭院士發現利用電場控制可使原子往特定方向移動,利用這個原理,他後來使用STM以原子團排出熱穩定的奈米大小的臺灣圖案。

最近,鄭院士的研究團隊還開發出製作熱穩定的單原子探針技術,不論哪一種儀器,使用單原子探針都是最理想的選擇,以 STM 而言,它可以提高解析力。

然而因多數的單原子探針都採用單一材料,不但製備異常困難,且容易受損、無法修理。鄭院士認為,若採用複合材料將可降低界面的自由能,表面上會形成很多熱與化學穩定的金字塔狀構造,如果它成長的環境只有針尖大,應當只會形成一個小金字塔,而金字塔的頂端應該就是最理想的單原子針。製作好的針尖萬一受損,只要加熱,則原子可自行調整修復。這項技術在研究團隊的努力下,最近有了更加完美的研發成果,目前已申請到專利,具有商品化的潛力。

堅持初衷,奮鬥不懈

身為一位科學家,鄭院士扮演人類進入原子尺度的先鋒,但也常常遇到一些巨觀難以想像的問題,他十分樂於發現新現象與解決實驗難題。雖然剛開始時在科學界未必能遇到知音,可是研究本身的樂趣依然讓他在這個領域持續探索,努力不輟,而遲來的學術共鳴也讓他了解自己的確沒走錯路。

今天他的獲獎,代表了國人對他個人和研究團隊的肯定,也不枉他對台灣這塊土地的繫念與盡心。

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  1. 中央研究院物理研究所網站:http://www.phys.sinica.edu.tw/~tsongtt/,11/7/2007

【2007年總統科學獎得主專訪】
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