清大物理系 果尚志教授

果教授於美國UTA取得物理學博士後，即前往日本參與剛起步的奈米科技發展計劃，而後返台擔任清大物理系教授至今。果教授建立有超高真空掃描穿隧儀及樣品準備系統，利用所建設備來進行表面物理之研究，包括以原子力顯微儀（AFM）進行局部氧化、奈米微影術、奈米微機電、及資料儲存等新興研究領域，並於2001年獲選為第39屆十大傑出青年…

1.目前無論是學界或業界，都以「奈米科技」與「產業奈米化」為追求的目標，想請您談談在奈米的領域主要是在研究、處理哪些問題？

最近奈米很熱門，到了幾乎是家喻戶曉的地步，甚至開車在高速公路上的看板上經常就可以看到奈米光觸媒，或是某某公司是奈米科技的掌舵手，甚至很多家用產品都以奈米科技為號召作廣告。但是必須要強調的是，奈米這個概念並不是新的概念，不是最近一兩年才被提出的新技術，而是已經有一段蘊育期，發展了許多年了，只是超過十年前奈米技術剛被提出來的時候，大家都還覺得是天方夜譚，感覺十分的遙遠，沒有被大眾所注意到。我那時博士剛畢業後的第一個工作，就是到日本參加一個奈米技術的計劃，它是一個10年的計劃，到2002年結束。而奈米最近很熱門的主要的原因，是因為現在已有能力把以前的概念實踐出來，像是奈米碳管，量子材料，和奈米光觸媒等等，也就是說奈米的材料及結構被做出來了，不像以前只是像小機器人、超小馬達之類的夢想。

在我的研究中，奈米材料只是一部分，比較主要的部分是薄膜、微顆粒，或是奈米線、奈米管之類的。而目前最主要的研究重心是放在奈米工具平台的發展。工具平台的建構，是個很重要的研究，舉顯微鏡來說，在人類的文明史中，就扮演了很重要的角色，光學顯微鏡的發明，是人類生物發展史上一個很大的里程碑，藉著光學顯微鏡，人類開始知道生物基本的單位是細胞，直到最近我們才知道有DNA、RNA、蛋白質；或是拿望遠鏡來說，有了望遠鏡的發明，才能仔細觀察天體的運動，也才能知道宇宙的運行的機制，經過科學家長期的觀察，才慢慢有了牛頓力學、萬有引力定律的發現。

從這兩個例子我們可以看出工具的重要性，然而，在奈米的世界裡，工具目前是十分缺乏的，之前所舉的顯微鏡、望遠鏡，都是以光學的方法觀察可見光，然而，凡是以光觀察必然會面臨「繞射極限」的瓶頸，而使得小於光波長的被觀察物無法正常的顯像，甚至根本看不見，如果是波長為400～700 nm的可見光，就看不到奈米材料、奈米結構（小於100 nm），就更看不到奈米級的DNA鹼基排列。我們發展這個奈米工具，第一件事情當然就是要看到奈米物質的存在，知道它的形狀、成分與組成，而第二件事就是要去操縱、組裝，去使用奈米物質。在我的實驗室裡現在能把奈米碳管組裝成一個探針、未來甚至將嘗試組裝鑷子等其他東西來操作物質，或是做成微機械的繼電器（有點像開關），然後用電壓的升降來控制開關。再舉個例子，就是現在大家也都蠻熟悉的半導體製程，比較不同的地方在於半導體製程是用曝光的方法，而剛剛提及的「繞射極限」也同樣出現在半導體製程中，所以為了要把晶片做得更小，就得要用波長更短的光，以前可能用可見光，現在就要改成紫外光，或是使用X光。如果將X光運用在半導體製程上，則可以做到原子級的結構，可是瓶頸在於如果要使用強度夠強的X光，目前唯一的方法是同步輻射，但是不可能在每一個半導體廠都做一個同步輻射的加速器來產生X光源，這也是說半導體產業在發展幾十年以來，技術慢慢發展到達的一個極限狀況。

就整個的發展來看，不論是科學，或是技術應用發展，目前在奈米級的世界，仍然需要很多新的工具被發展出來，尤其是在觀測、操縱、和製造等方面。而目前普遍被認為最有前景的工具就是掃瞄探針。就如掃描穿隧式顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描式近場光學顯微鏡，這些儀器都沒有光學儀器繞射極限的限制。
就掃描穿隧顯微鏡來說，它的極限是到原子級物質，也就是說它可以看到原子、量測原子，甚至操控原子，但是必須要在一些特定的環境裡，像是溫度必須接近絕對零度、非常好的真空等等，而目前的研究方向是希望能不能把這些限制一樣樣拿掉，然後能在室溫、大氣中，並且操作速度很快。原本穿隧顯微鏡以搬動原子的方式，做出一個結構來，可能要花數個小時的時間，因而無法實用化；目前IBM在使用的技術是平行探針法，雖然仍是掃描探針的方法，但可同時使用一千根探針同時進行，將速度提高、時間縮短。然而近期內對產業的實用性仍是不高。舉半導體來說，半導體是個產值很大的產業，要把原本已經發展幾十年，成熟且成功的技術整套換成奈米的技術，基本上是不太可能的。很多技術必須要在研究機構、學校先做先期性的研究，將可行性、優點、缺點都研究透徹之後，才能慢慢應用到產業界、工業界。

2.您大學時期唸的是交大電子工程學系，學的是偏實用的工程，而出國深造則選擇攻讀偏向理論的物理系，現在做的則是相當熱門的奈米科技的研究。是什麼原因或想法讓您做了如此的選擇？對於將來想要從事奈米科技研究的年輕學生們，您會有什麼建議？

奈米科技一個很大的改變，在於奈米科技是個跨領域的研究。過去大學的教育都是分門別類，把各門學科分得很細，就如在有些大學有電子工程系、電信工程系、控制工程系、資訊工程系，但是在國外來講，可能這些都只是包涵在電機系裡的各個領域中。在過去來說，這種分法是蠻適合的，因為產業講求分工合作，可以將一個工作分的很細，但是奈米最大的改變是假如你覺得奈米科技對於社會國家很重要、對自己的前途很重要，而想要進入奈米科技這個領域，就不可以抱著從前的思維，不能將自己定位在某個特別的部分，因為奈米所需要的知識，是很全面性的。

目前奈米主要的成功例子是在生物本身的運作當中，其實生物體本身就是一個非常成功的奈米設備，像傳遞生命訊息的DNA，就是個最理想的奈米結構，可以不停的複製其中的鹼基對，並且不會發生錯誤；但是就奈米材料來說，我們雖然可以做一個奈米管，但就沒有辦法複製百萬個一模一樣的奈米管。或是以可產生生物能量的過程為例(例如在光合作用中)，其中含有產生ATP的奈米馬達，能將量以ATP的形式儲存，而水解之後，形成ADP並放出能量，所有的生物體，都隨時在進行產生ATP分子，並且從ATP分子獲得能量的步驟，沒有例外，而其中會用到一種叫作「ATP合成酵素」的分子結構，最近被發現它就像是個馬達一樣，會不停地轉，每轉動一個週期，就會產生一個ATP，在植物體中，帶動的力量就是在細胞中流動的質子流。我們現在也必須和生物體學習，努力研究製造半生物的物品，像是仿生材料之類，所以將來當一個奈米材料被研發出來時，可能有一些是生物的，有一些是化學的，有一些則是帶物理機制的（基礎為量子力學，並非平常的牛頓力學），製程則可能含有一些微晶片、微電子元件等，綜合來說，奈米科技是一個很全面的學問技術，而且做得愈好的人，可能是跨愈多領域的人。

就教育層次來說，奈米科技的發展對大學教育是個很大的衝擊，就好像假如要設立一個奈米科技研究所，那不論是設在工學院、理學院、或是生命科學院都無法涵蓋它所有的層面。然而，雖然是跨領域，但仍然要有自己專精的部分，否則每個部分都做得半調子，也做不出成果。學奈米的人，不止要有專業的部分，還要有全面性的知識。現在很多科系在一年級就排入自己系上的必修課，使得可能物理系的不怎麼讀化學，化學系的也不怎麼讀物理，而把學生的路給侷限住了。可是大學應該是個通識教育，不是僅培養工程師，就像資訊系的學生，如果只把心力投注在目前以0和1為計算基礎的計算機原理，而忽略了物理的部分，可能在10年後，目前只是個概念的量子計算、量子密碼被實現了，隨之而來全新量子力學的概念被引入，所有的工作原理都會被改寫，則原本的知識就落伍了，而且，這是個必然的趨勢，一如以前被電晶體取代的真空管時，給工業帶來的衝擊。

所以大家應該去思考現今的教育體制，分工這麼細是否真的合適，甚至是不是應該大學一、二年級都學共同科目，直到大學三、四年級才找個專精的領域。我之所以會在大學時讀工程，到美國讀書時又讀理論物理，是因為實際上自己並不清楚自己要的是什麼東西，年輕時候的性向其實大都是靠自己想像出來的，覺得當一個偉大的科學家就應該要做像楊振寧、李振道作一樣的事，而會將自己定位為一個當代環境給你的想像，然而那可能不適合自己。大學的時候，大家都選填電子相關科系，但是學了之後卻發現自己對電子沒什麼興趣，於是就轉讀物理，然而那時對物理的了解又有偏差，以為物理就是要做很理論化的研究，結果讀了兩、三年又發現和興趣不合，於是改作實驗物理，然後慢慢進入目前所作的領域，這樣雖然看起來繞了一大圈，浪費了很多時間，可是其實想起來，對自己是很有幫助的。像是我有工程的訓練，也有理論科學家所需的思考能力，加上實驗科學家要有的實驗技巧，而這些都變成了我的助力，短期內或會覺得自己浪費了很多時間，但實際上人生是很長的，所以我常常勉勵學生別把自己侷限住，有時我的研究生會跟我說他畢業後要去哪個公司上班，我就會勉勵他應該把自己的彈性放大一點。

另外，也不要一味的去追求新的東西、時髦的東西，就如一開始所說的，奈米科技並不是一個很新的概念，二十年前如果去做這個，會被認為是白日夢、是空想，十年之前做的話，就是有點創新了，現在再來做奈米科技，則就是很時髦了，但是現在去跟很時髦的東西，不一定在十年之後對你還是最好的選擇，就如現在的半導體產業，假如現在去跟這個領域，可能十年之後，你正處於事業巔峰的時候，但半導體已經黯淡無光了。所以不要太過追求時髦，還是要配合自己的興趣，但是同時仍然要把眼界放寬點，把彈性放大點，去接受各種的知識、概念，對以後的路來講，都會是種加成的幫助。

舉個例子來說，量子力學常被認為是只有物理系才須讀的學科，工程科系多半不會去學的，去年我們系上有老師被請去工研院為非物理系的研究員開課，教他們量子力學，原因就是因為奈米科技現在很熱門，而大家發現在奈米這種尺度下，電子元件或材料的性質，最強的效應不是像歐姆定律、擴散定律的古典效應，而是量子效應。這個現象對於工程系的人來說，是個很大的衝擊，像是對電機系的學生來說，量子力學現在不是必修課，但是當奈米材料慢慢被研出來，像是如果要量測奈米碳管的電阻時，它並不是按照歐姆定律，而是量子力學的行為，到了那個時候，量子力學就會變成一種必要的知識。我很高興當時在讀電子工程系的時候，有修量子力學，而現在就有這個知識，在二十年前我讀量子力學時，對於一個電機系的同學來說，是不必要的知識。但現在卻發現那是我大學時期最重要的投資，所以才能有機會接觸奈米材料。當一個熱門的東西出來的時候，獲利最大的人是有遠見的人，而不是一直去跟熱門的人。而怎麼樣才能有先知遠見，最理想的方法就是自己準備得廣一點，彈性要大。

3.我們常聽說奈米材料的物理特性，需用「介觀物理」加以解釋。什麼是介觀物理呢？相較於古典物理與量子物理又有什麼差別呢？

這些指的是物理研究的對象，舉個例子來說，假如說拿個銅塊來研究它的導電現象，我們就通電壓來量電流，測電阻率，這個是巨觀材料，尺寸效應沒有出現，就如一公分的銅塊，和兩公分的銅塊，它們的電阻率是沒有差別的。當人類的技術開始進步，在1948年左右，半導體電晶體被發明了，這算是人類進入微小化的第一步，科學研究也是一樣，一開始研究塊材，後來可以慢慢做更小的材料及結構，也就是進入了介觀物理，其尺度是次micron級（小於10－6 m），就發現它的物理現象和古典物理不太一樣了，跟幾何形狀、尺寸都有關係了，有些仍然可以用古典電磁學、力學來解釋，但有些卻需要量子力學才能完全解釋，介觀物理是種從大尺度的物體到奈米級物質的一個灰色的地帶。當進入奈米材料的之後，就是完全由量子力學來主宰它的性質。

拿矽來說，當我們在做微粒的時候，基本上，矽是發光效率很低的，但是當矽微粒小到某個程度的時候，它會開始發光，而且再小一點時，它的光又會變成另一種顏色，尺度變化的時候物理性質也會變化，而目前大家認為是因為量子尺寸效應的影響，也就是一個材料會不會發光，是因為能帶結構的關係（電子被激發後落回低能階而發光），但是當矽被做得很小的時候，能帶結構就會被改變，而被量子效應影響；也就是原本發光效應很差的矽，當被做成量子元件的時候，不但可以發光，還可以去調整光的波長。這也是奈米材料吸引人的地方，原本物質的性質就是週期表上面預測的物理性質、化學性質，但是現在用奈米的技術可以去改變這些性質，做需要的調整，變一個新的材料。很多人誤解奈米科技熱門的原因，以為只是把東西做得很小，但其實不是這樣，把東西做得小，已經是幾十年前就有的事了，不是什麼新鮮事，而是和之前所提到的觀念有關，是一個「〝新〞的材料」，並不是一個真的新的化學元素，而是當尺寸縮小後，性質改變的一個新的物質，一個可以人為操控其性質的新物質。

4.我們知道一奈米是十億分之一米，人類目前的技術是否可以做出奈米尺寸的「人造原子」，建構我們想要的材料呢？

人造原子就是去把一個材料做小，可控制其能帶結構，可研究其能譜、光譜，而形成一個新的材料，也就是人造原子（Artificial Atom）。以前當我們需要一種性質時，是去看週期表上是否有性質符合的物質，但是現在是我們可以設計出一個符合我們需求的材料。在實用上來說，如果那天奈米物質變成普遍性的材料，有個問題一定要去克服，就是去控制材料的大小，像是我們不止要能做出非常準確3 nm的矽，還要能做出成千上萬個準確為3 nm的矽，因為只要大小稍微有不同，材料的性質就會有所差異，而且要能商業化、大量製造，才能成為一個有用的方法。

之前提到的DNA，就是藉由在生物體內不斷的被複製，將生命訊息一直被傳遞下來，它一個自我組裝的、自我調節而完成的步驟，而這件事在於科學家、工程師的眼中，是非常非常驚人的事。而自我組裝的概念，在奈米科技中，已經被提出很多年了，因為在奈米級的科技中，人類很難去設計到那麼細，用工程化的步驟去完成，可能到最後只需要給個起始條件，讓它自己去完成所有的步驟，奈米製程可能到最後不會是像半導體業一樣的製程，也就是俗稱Top-Down由上而下的製程，從一個大的物質，慢慢去做細，而可能必須結合一種像化學、材料科學的Bottom-Up由下而上的方法，從幾個原子開始進入到一個實用材料。實際上，雖然奈米科技已經不是個新興的概念了，可是還是有很大的瓶頸。

5.什麼是「電子束蝕刻技術」？和一般半導體製程的蝕刻技術有什麼不同？為什麼需要用到「奈米級蝕刻技術」？

奈米級蝕刻技術是前幾年在做的研究，也就是用來做些奈米級的結構，但是不是使用傳統的方法，而是以掃描探針顯微鏡來進行，一開始大家都只拿掃描探針顯微鏡當作是個顯微鏡使用，但是後來我們發現可以把探針當個電極，而這個探針是奈米級的，可以在局部產生一些化學反應，例如氧化、觸媒等等；我們可以加個電壓上去，就能產生局部氧化物圖案，然後做微影曝光，而這個方法就不會受到繞射極限的限制，但是使用的機制和目前半導體業所使用的微影曝光是有所不同的，半導體是用和照片曝光一樣的方法，讓晶片去顯影，然後蝕刻，而我們現在所說的是用探針去做局部的氧化，然後產生反應。而用探針的方法去蝕刻的優點，是只要探針能做多小，材料就可以做到多小，但是也有缺點，就是速度很慢，一個探針慢慢去做，能做出來的事是很有限的，而這個問題，就可以用之前所提到的平行探針－數百萬根探針同時進行來改善。

而電子束蝕刻所指的是用電子槍來蝕刻，這個技術的成本比較高，儀器比較昂貴，維持也比較困難，但是仍然是可以用在實驗室非量產的方面，或是用於製造可以複製同形物體的母版。但是剛剛我們所說的探針蝕刻技術，成本很低，可以大量的製作，目前IBM要做的是硬碟機，用一千根探針去讀取資訊，可以大量製造，而且便宜。

新型顯微鏡學將帶領人類的視野進入前所未有的微小世界，其中包含掃描穿隧顯微儀（STM）及原子力顯微儀（AFM），皆被認為是表面物理研究二十年來最為重要的實驗發明，更成為直接決定固態表面之原子結構及電子特性的主要實驗方法…

想請您簡單介紹以下儀器的原理及應用：●掃描穿隧式顯微鏡（STM）●原子力顯微鏡（AFM）●掃描式近場光學顯微鏡（NSOM）

掃描穿隧顯微鏡已經發展20年了，當初被發展的時候，也沒有想到會對奈米科技有這樣的影響，而且就現在來說，STM仍是奈米科技最主要的工具之一。在剛被發明的那個時代，除了光學顯微鏡之外，就是電子顯微鏡，但是這兩個都有自己的問題，像電子顯微鏡並不是看到真正的原子影像，而只是從電子繞射的圖案去分析出原子的結構。但STM是可以真正看到原子級結構的顯微鏡，它所用的原理是量子力學的穿隧效應，基本上是個很尖的導電探針，然後去接近一個表面，在這個過程中，探針和表面並沒有接觸，但是近到只剩約10個原子的距離，然後加電壓上去後，就會產生一個穿隧電流，在量子力學裡，電子是個波，假如說絕緣層的厚度很薄，就會有一定的機率會跑到另一邊，而穿隧現象最有趣的地方，是電流和絕緣層的厚度有很大的關係，例如絕緣層的厚度如果差一個原子距離，電流就差十倍，也就是說對厚度很敏感，在掃描時設定一個特定的電流值，為了維持一定的電流探針就會隨著表面而起伏，也就可以得到表面的形狀，因為對於厚度敏感的關係，所以最後穿隧的過程就是探針最突出的原子穿隧到表面的一個原子，而經過掃描可得到表面原子的影像。

後來發現假如說把探針再更接近表面，則利用原子間的作用力，就可以去操控原子，可以去把原子吸起來，再放到另個地方去，使得STM從一個原本的觀測原子的工具，進入到一個操控原子的工具。

而後面的兩個顯微鏡基本上的精神也是相同的，只是量測的訊號不同，在STM裡，量測的是電流，而AFM量測的是探針和表面之間的原子力，可以是凡得瓦耳力，可以是電力，可以是磁力，或是化學力，不同的官能基、配位基，都可以量測，它的優勢在於原子力為普遍存在的，但STM卻只能使用在導體。

而NSOM則是利用近場光來突破光學繞射的限制。在以前的光學顯微鏡，是屬於遠場（Far field）的形式，也就是當鏡頭對焦後，我們所觀測到的光線（波長數百nm）和與物體的距離（幾十公分）相差很大，會產生繞射的原因，就是因為有光程差，有光程差就會有相位差、有干涉、有繞射。NSOM是讓觀測的鏡頭去靠近發光的物體，近到遠小於光波長，而繞射的現象就不重要了。但是，如此去觀察物體，鏡頭要很靠近物體表面，則必須要有個可以控制鏡頭移動的機制，否則鏡頭會被撞壞，於是這三個顯微鏡基本上的精神是相同的，都要有個探測頭在掃描，有個回饋的機制在控制距離，而成為一個普遍而且必要的工具平台，利用這三個顯微鏡，則可以探測物體的導電性、原子力、光學性質。

最近我們在剛通過的國家級奈米計劃中，實際上要做的，也就是奈米工具平台，最主要改良的部分，是探針的部分。因為以前所用的探針是用Top-Down的方式製程，像是穿隧顯微鏡的話，探針用剪刀剪剪就可以了，因為是以量子力學原理工作，所以一定是最突出的兩個原子產生電子穿隧。但是如果用到原子力的話，就不會是一個一個原子，而是一堆原子和一堆原子交互作用，於是探針的形狀就很重要了，一般來說，目前的探針都是以腐蝕的方法做出的，而它的形狀、功能都無法控制。我們所希望的是Bottom-Up的方法，去設計奈米材料，去設計探針的功能。假如說這個工具平台被建立的話，將是個跨領域的工具，不論是對生命科學、化學、物理、工程、奈米工程，都有幫助。

6.實驗的方向與研究的態度與大環境的氛圍往往有密不可分的關係，果教授在美國、日本、台灣做過研究，可否和大家分享一下在不同的環境下做研究的感受與影響？

其實我原本也沒有預定要去日本做研究，而只是走到了那一步的時候，剛好有了這個機會，就去嘗試，其實並沒有說哪一條路是最正確的路，但是要去珍惜每一條走的路，只要好好的發揮都很有機會。在去日本時，很多人覺得是個錯誤的決定，那時很少有人在美國拿完博士之後，還去日本做事的，但對於我來說，卻是非常受益的，一來我清楚日本的研究方法，也知道美國的研究環境，然後回台灣之後，就知道每個環境的優缺點，然後在做事的時候，就能取長補短。但其實也不是說我很有遠見，十年前就知道自己要做什麼，只是我一步一步照著自己的興趣走下去，不去強迫自己一定要怎麼做，就是如果覺得興趣不合的話，就離開，最重要的是，還是要去選擇合自己興趣的事來做。

日本對這種微小化的研究很敏感，探針的這部分在日本非常熱門，在二十年前探針顯微鏡才剛開始的時候，日本就已經積極投入研究，因為他們那時就認為這個發現非常的重要。所以那時去日本參加全世界最大的原子技術計劃（Atom Technology Partnership），就覺得非常的有前瞻性。當然每個人走的路都不同，日本覺得平台的建製非常重要，所以在硬體的建構上就十分的積極。但是同樣的，日本很注重硬體的發展，所以在硬體上就很先進，但是軟體(科研方向)的方面，就很多被美國佔據了，讓人覺得多少有點缺憾。就奈米科技來說，目前沒有standard solution也沒有final solution，所以要去追別人是很難的，可能落後別人太遠，就怎麼都趕不上了，必須要留意strategy。

7.最後，在您豐富的研究經驗中，您覺得台灣未來研究奈米科技適合選擇哪些領域？

應該要配合台灣目前的工業狀況，因為奈米科技是個全面性的發展，但還是要有短程、中程、長程的目標。短程目標要能立即對工業有貢獻的，像半導體、光電、微製造、微機電等部分，像現在工研院就很積極的在發展。但中程和長程的發展也是不可忽略的，因為奈米科技是我們一個很好的轉捩點，以前我們一直都只是跟別人的路，只是把別人的東西拿來發揚光大，做更好、更便宜、更多功能，但是奈米科技是有很多機會可以掌握先機的。台灣現在應該要跟以前不一樣，現在必須要掌握自己的優勢，要有台灣自己領先的部分，以前台灣都是習慣做老二，但是在奈米科技來說，這個是很好的機會，我們要找出一個重點出來，讓我們變成當老大，讓別人來學，才不會處處總是受制於人。