清大物理系 果尚志教授
WeGenius第9刊‧2003年 |
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。