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上海光學儀器廠，曾經(jīng)為發(fā)展民族工業(yè)，填補國內(nèi)空白，奠定了國家光學工業(yè)的系列化， 并先后與德國蔡司-歐波同（ZEISS-OPTON）、徠卡（LEICA）等國際著名光學公司合作生產(chǎn)各類精密光學儀器。

掃描穿隧式顯微鏡儀器架構(gòu)

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掃描穿隧式顯微鏡為何可以利用探針與樣品間的距離來顯示樣品表面影像，已在本站的文章 “掃描穿隧式顯微鏡原理”中說明，在此將對實際儀器架構(gòu)的內(nèi)容加以解說。掃描穿隧式顯微鏡架構(gòu)的示意圖如下：

掃描穿隧式顯微鏡的組成部分可細分成以下幾個部分：
1. 掃描頭：是控制探針移動的中樞，使用壓電材料制成，可讓探針以小于 1埃 的精確度移動。為了能控制探針做二維平面的掃描，并隨掃描模式調(diào)整探針及樣品間距，通常會在壓電陶瓷管上鍍層金屬，將壓電管外壁均分四極以做 x+ 、 x- 、 y+ 、 y- 方向的掃描，而內(nèi)壁則是做 z 方向的調(diào)變。藉由施加偏壓以改變陶瓷管的長度、厚度，而讓探針移動進行掃描，一般掃描范圍都可達幾個 μm 。
2. 探針：自制的探針一般都是用 0.5 mm 的鎢絲，于 KOH 或 NaOH 溶液中，以電化學的方法，蝕刻出直徑約幾百埃的針尖。若欲掃描出高解析度的影像，通常會在掃描前先對探針施加瞬時的強電場，以改變針尖結(jié)構(gòu)。

3. 步進器：由理論得知，若要取得穿隧電流值，需讓探針與樣品的間距約在數(shù)埃之間才能發(fā)生，這樣的距離無法用肉眼與雙手控制達到；一般以電腦控制步進器，以達到可以探測穿隧電流的距離。因此步進器須具有步距約 1000埃 的功能，且具有幾千赫茲的步進頻率，以節(jié)省步進時間。依驅(qū)動的方式可分為齒輪式、尺蠖式及滑動式等。
4. 前置放大器：由原理可知，探測到的穿隧電流很小，若要作為回饋訊號，必須先將其放大，故都會加裝一低雜訊操作型放大器。
5. 電子及控制系統(tǒng)：該部分含回饋電路及電腦介面?；仞侂娐分饕钱斀邮盏酱┧黼娏髦岛?，可以依設定的掃描模式，驅(qū)動接在掃描頭上之 z 軸電壓源，以控制掃描過程中探針與樣品的間距。電腦介面則是以多個數(shù)位／類比及類比／數(shù)位轉(zhuǎn)換器組合而成，并連通電腦，以利操作者控制、調(diào)整掃描裝置和掃描流程。
6. 電腦：電腦為操作者主要接觸的部分。其在掃描流程中的功能包含執(zhí)行控制、調(diào)整、即時顯像等；而在顯像后還有影像儲存、修改模式、分析、處理等功能。
另外，因為掃描穿隧式顯微鏡很敏感也易受干擾，所以需要避震裝置架起整座儀器，以屏蔽不同頻率的震動，使電子穿隧間距穩(wěn)定，掃描影像才會清晰。常用的避震材料為金屬彈簧或橡皮墊，并配合阻滯裝置來使用。

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討論掃描穿隧式顯微鏡的設計原理

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掃描穿隧式顯微鏡原理
掃描穿隧式顯微鏡是利用量子穿隧效應探測晶體表面原子結(jié)構(gòu)的儀器。此文進一步討論掃描穿隧式顯微鏡的設計原理。

其主要利用的物理原理是量子穿隧效應，這是一種運用在原子世界的量子特性，無法以古典觀點加以解釋。古典力學中，波動與粒子為不同的類別，一般物質(zhì)屬粒子，其運動須遵守牛頓運動定律；若將一物體丟向一面硬墻，該物體絕不可能穿墻而過。然而在原子世界中，物質(zhì)具有波動和粒子的特性，即波粒二象性，運動模式須遵守異于古典的量子力學；因具有波動的性質(zhì)，當很多電子撞擊一層很薄的障礙物時，電子有不為零的機率穿過電位障壁，并產(chǎn)生穿隧電流。穿隧電流與障礙物厚度成指數(shù)函數(shù)遞減，大約當厚度增加一埃，穿隧電流會衰減為原來的十分之一，可見穿隧電流對障壁厚度非常敏感；利用此特性即可建構(gòu)一臺具原子解析度的顯微鏡。

若探針尖端夠尖，并和樣品維持在能產(chǎn)生穿隧電流的距離之內(nèi)，此時只要在探針與樣品間施加一電場，即可誘發(fā)電子穿越電位障壁產(chǎn)生穿隧電流。利用穿隧電流隨該距離靈敏的改變，讓探針在樣品表面上來回掃描，對應記錄各點高度值，即能構(gòu)成樣品表面的二維圖像。常見的取圖法分為兩種：

1.定電流取像法：如圖一，在掃描過程中固定穿隧電流值，即鎖定探針和樣品表面間的距離。因此探針必須隨樣品起伏調(diào)整高度，記錄調(diào)整的高度可繪出樣品表面影像。此模式可以容忍掃描高低變化較大的樣品，但因調(diào)整高度使掃描速率緩慢，較易受低頻雜訊的干擾。

2.定高度取像法：如圖二，在掃描過程中固定探針高度，因此探針和樣品表面間距會隨樣品高低起伏改變，同時改變穿隧電流值。直接記錄穿隧電流值，并利用電流值和該距離的關(guān)系式，即可繪出樣品表面影像。此模式可作快速掃描，但若掃描樣品的表面起伏過大，易造成探針損壞。

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歐杰電子的原理及分析

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“歐杰電子”的產(chǎn)生現(xiàn)象，最先是由法國人Pierr Auger于1924年所發(fā)現(xiàn)，故以歐杰電子為名。歐杰電子能譜術(shù)，是利用一電子束聚焦成微米大小打在樣品表面上，使該樣品表面原子產(chǎn)生歐杰電子，藉由半球形能量分析儀捕捉分析歐杰電子的特征動能，即可研判表面元素成分及其化學態(tài)。此外，歐杰電子的產(chǎn)生涉及三個電子軌域，因此有很好的監(jiān)別特性，因而使歐杰電子能譜術(shù)成為表面分析的利器。
歐杰電子的原理及分析

圖一：歐杰電子的產(chǎn)生機制如圖1所示，圖中所示為一個原子內(nèi)層電子的能階，我們利用光子能譜的能階符號，分別以 K、L、M 等來表示不同的能階。

當原子的內(nèi)層軌域中有電子受到一動能大于內(nèi)層電子束縛能的入射電子而激發(fā)游離時，在內(nèi)層軌域便產(chǎn)生了一個空洞。為了降低此原子激發(fā)態(tài)的系統(tǒng)能量，此空洞會由較高能階的電子來遞補，在遞補的過程中會釋放出能量。若此釋放之能量被外層的電子所吸收，且若此能量大于外層電子的束縛能時，外層的電子則可獲得一動能而游離成為自由態(tài)，此自由態(tài)的電子便稱為歐杰電子。因此，歐杰電子的能量涉及了三個電子軌域，因此每種元素的歐杰電子特性能量皆不同。在圖1中， K 能階上的一個電子已被入射電子游離了， L1 能階的電子填充 K 層的空洞，多余的能量使另一 L2 能階的電子被游離釋出，稱為 KL1L2 歐杰躍遷。由于整個歐杰電子產(chǎn)生過程中， L1能階的電子填充 K層的空洞乃是受庫侖作用力影響，并不會放出光子，因此整個躍遷不受到選取法則的影響。

歐杰電子能量為 EAuger = EK－EL1－EL2，3－φ ，明顯和入射電子能量無關(guān)，φ為材料之功函數(shù)。由于牽扯到元素中電子殼層的三個軌域能量差，所以能發(fā)射歐杰電子最輕的原子是Be，因為H和He及單個Li原子因為其電子數(shù)皆少于三，所以無法產(chǎn)生歐杰電子。

歐杰電子的探測深度因電子的散射截面及自由程，有效訊息只約 10埃 左右，若配合掃瞄式電子顯微鏡系統(tǒng)，可得知元素的三度空間分布情形；配合離子槍則可做深度分析的工作。

一般而言歐杰電子能譜多以微分形式來讀取，微分能譜乃是將電子訊號強度對電子動能微分所得之能譜，能譜圖掃出來的峰值底下面積恰為具有該特征能量的歐杰電子數(shù)，我們計算面積的方式是考慮它的峰寬，中心點重置于原點之后利用高斯函數(shù)來近似此峰。實驗中所使用微分后的訊號強度即是以微分之后的能譜圖（圖2）中一段特征能量最高峰與最低峰的差值，來表示該特征能量的電子數(shù)，間接代表對應元素的含量。微分能譜還有另一個優(yōu)點：除去背景雜訊，使特征能量峰值較為明顯，如此若材料表面有即微量的氧或碳，仍然可以量測得出來。

圖二
此外要分辨所量測到電子能譜的訊號峰，是歐杰電子亦或是吸收電子束能量而被激發(fā)的核心電子所貢獻，僅需要將入射電子束的能量改變即可確定，如為歐杰電子訊號峰，則不會隨著電子束能量改變而有所漂移。

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穿隧效應的應用-掃描穿隧顯微鏡

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1924年“德布羅依”提出“物質(zhì)波”的概念，并于1927年“戴維森”及革末以54eV之電子束垂直撞擊鎳晶體表面，得到如同光波的干涉與繞射現(xiàn)象，證實電子波動性，并榮獲1937年諾貝爾物理獎?，F(xiàn)今都將這些物質(zhì)波稱為“德布羅依波”，德布羅依波給予物質(zhì)與光的雙重性，建立波動力學的理論基礎。因為粒子具有波動性，如電子等微小粒子有機會穿過本來不可能通過的能量障礙，稱為：“穿隧效應”。穿隧的的機率和距離有關(guān)；距離越小，穿隧的機率越大。

掃描穿隧顯微鏡：是一種利用量子力學中穿隧效應探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器，1982年由“賓尼”和“羅雷爾”所發(fā)明，并以此榮獲1986年諾貝爾物理獎。其主要是利用一根非常細的鎢或鉑銥合金為探針，而針尖在物體表面掃描時，針尖通入高壓電針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，依此來觀測物體表面的形貌。（圖一、二）

圖一：掃描穿隧顯微鏡示意圖

圖二：掃描穿隧顯微鏡下的石墨

由于樣品和探針距離極小，只有數(shù)奈米，探針針尖原子的波函數(shù)和樣品表面原子的波函數(shù)重疊，當探針和樣品間有電壓存在，兩者間便會產(chǎn)生穿隧電流。穿隧電流對針尖的與樣品的距離非常敏感，成數(shù)量級變化，即對垂直方向的解析度極佳；至于橫向的解析度則受限于探針針尖的大小。是以掃描穿隧顯微鏡的解析度為奈米級，其可克服普通光學顯微鏡之光波繞射影響，得以辨別遠小于可見光波波長的物體。

1990年IBM科學家在絕對溫度4度下，利用穿隧電流增加時，針尖將能推動物體表面的原子的技術(shù)，將37個氙原子制造出世界上最小字的“IBM”（圖三）；而2000年英國牛津大學物理學家John B. Pethica 與同事，在室溫下使用掃描式電子穿隧顯微鏡.，以快速震動針尖達數(shù)個原子寬度，再以一系列的撞擊移動個別的原子到預定的位置上，且發(fā)現(xiàn)這效應與針尖高度無關(guān)只與穿遂電流大小有關(guān)，推測此原子是因電流加熱而移動，此成果將對奈米技術(shù)帶來重要的進展。

圖三
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科學看見了真實世界？

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科學看見了真實世界？
近代科學萌芽的十七世紀，虎克利用顯微鏡觀察自然世界，就已意識到其中人為因素的失真影響，而近代科學的大量仰賴電子觀測儀器，更使我們距離現(xiàn)實世界愈來愈遙遠。

圖一：眼見為信

一六六五年元月，派比與妓女廝混一下午后，與英國皇家學會會長共進晚餐?；丶彝局?，他到書店預訂了虎克最新的關(guān)于顯微鏡的著作；幾個星期后，派比帶著書回家，花了大半夜閱讀《微物圖解》，后來他在日記中寫道，“這是我畢生所見最有創(chuàng)見的書”。派比原已有一架顯微鏡，但從未見過這樣子的圖像，他和其他讀者都深深受虎克描繪的精細圖像所震撼，虎克改造市售的顯微鏡，呈現(xiàn)出昆蟲、礦物、植物、羽毛的細節(jié)。十七世紀的人們頭一次能有機會，觀察日常生活種種微小又熟悉事物的樣貌，如跳蚤、起司上的霉、尿液結(jié)晶顆粒、虱子、蕁麻刺等?；⒖嗽诟诫S圖像的文字中，向讀者形容，“虱子看來如此驕傲高昂，彷佛害怕無法擊敗強手，卻有如一個無所畏的君王”。

虎克原本是在當時成立不久的倫敦皇家學會周會里，發(fā)表他的觀察內(nèi)容與報告。成員紛紛鼓勵他將描繪作品出版，向外界宣傳他們研究世界的新方法，當時學會以培根為名義領(lǐng)袖。培根于一六二一年因貪污罪嫌，失去大法官的職位，政治生涯告終，他反能全心投入哲學領(lǐng)域。他反對亞里斯多德的理論基礎，主張唯有透過觀察與實驗，才是認識上帝所創(chuàng)造世界的最佳方式。

圖二：虎克顯微鏡

培根在著述中強調(diào)，在《圣經(jīng)》解釋下，人類是視野有限的墮落生物，眼前所見受想像所蒙蔽。為克服人類本質(zhì)上的弱點，虎克發(fā)明能提升聽覺、嗅覺及視覺等感官能力的工具。《微物圖解》也是為了證明，上帝創(chuàng)造萬物之美，只有透過超然客觀的觀察才能品味。虎克認為研究者透過顯微鏡觀察，只需將自然面貌直接繪于紙上即可，“以真摯之手、忠實之眼檢視及記錄所見事物”；為支持培根對《圣經(jīng)》里人類缺陷論的看法，《微物圖解》第一版即呈現(xiàn)出人造物品的缺陷，在顯微鏡下，磨過的剃刀滿是缺口、針尖變鈍，連暈開的句點輪廓都可看得一清二楚。

眼見為信
但實際上虎克發(fā)現(xiàn)，“真摯之手、忠實之眼”并不足以捕捉自然面貌，因為顯微鏡像常含糊不清，仍得仰賴個人專業(yè)與個人詮釋?；⒖颂岬剑跋壯墼谀承┕饩€下像是格子窗，充滿著無數(shù)小洞；在陽光下如同滿布金釘?shù)谋砻?，另種角度下又像滿是金字塔的表面，有時候卻又像圓錐”，觀察者需要工具，但也要具備評斷何為正確答案的技能?；⒖艘庾R到，當他想在紙上重現(xiàn)畫面時，會出現(xiàn)其他問題。《微物圖解》讀者所見并非原始標本，中間經(jīng)過虎克及畫師兩層媒介，虎克也指控畫師成品有誤；且虎克的畫作皆為黑白，多數(shù)散布在整張紙上，而不像他在目鏡視野中所見，繽紛多彩的顯微世界。理論上只要科技進步，虎克與閱讀他著作的讀者或許就能更清楚看到事物。但是由虎克到現(xiàn)代顯微鏡學家之間的歷史，并不是平順進展的。

虎克之后十八世紀的研究者，都著迷于完美畫面，故常未忠實記錄自然標本，而用想像力修飾美化觀察所見的事實，例如有只螞蟻在顯微鏡下，看出少了一條腿或頭部發(fā)育不全，但繪圖者會依據(jù)過去所見的螞蟻形象，畫出一只理想螞蟻的樣貌，彷佛要捕捉螞蟻的本質(zhì)。這種態(tài)度與當時解剖學家心態(tài)相仿，解剖學家繪制女性骨骼時，基于懷孕功能，故將骨盆畫得較寬，男性骨骼圖里的頭骨也較大。約莫到了十九世紀中期，生物學研究風潮轉(zhuǎn)向，主張“讓自然呈現(xiàn)原貌”，科學家開始堅持觀察個別標本時，無論有各種缺陷都得如實記錄?？恐滦惋@微顯鏡大幅精進的準確性，科學家希望壓低個人主觀判斷。

不過就和虎克在兩百年前遇到的情況一樣，研究者不可能完全排除人為因素，反而隨著設備日益復雜，科學家斧鑿的痕跡更深。由于鏡頭功能更加強大，每次能看到的部分更有限，代表需要更多專業(yè)技術(shù)來辨別影像，并且相信這能夠呈現(xiàn)真實；標本也得仔細準備、安嵌與染色。正如虎克必須考量蠅眼需如何打光，后代顯微鏡學家也得確保明暗處并非人工造成。
信心的篇章

今日顯微鏡日益精密，但是否讓人更能窺探自然的真實面貌？
攝影技術(shù)于十九世紀初出現(xiàn)，讓人們認為可消滅人為錯誤與主觀詮釋，攝影師塔伯特所出版的《自然畫筆》即為一例。物理學家法拉第很早便主張在科學界使用攝影技術(shù)，他表示，“攝影所呈現(xiàn)的影像是畫筆望其項背的，當自然成為人類攝影的對象后，人類的潛力難以預言”?？墒菍z影技術(shù)的興奮，初期未在顯微鏡學帶來太多成果。此后數(shù)十年，生物學家都不愿將相機帶進實驗室，來彰顯標本，反而是科學家走進攝影棚，讓自己成為宣傳照的主角。這種現(xiàn)象或許令人驚訝，但當時科學家很堅持要在社會上建立聲望。縱然相機出現(xiàn)在實驗室之后，學界仍在爭辯使用相機做客觀記錄的優(yōu)缺點。許多科學家認為，若民眾相信在相片中靈魂會起死回生，就很難靠這種科技來呈現(xiàn)顯微世界的真實面貌。曝光時間過長也難以捕捉移動物體，再加上鏡頭不完美、液狀噴濺、缺乏顏色等因素，均為攝影結(jié)果帶來不確定因素；另沖洗過程中常需縮放相紙，也無法正確測量標本大小。

沖印限制代表照片需先經(jīng)手工，才能大量印刷，故又開啟人為操縱的空間。技術(shù)人員可以在照片模糊的細節(jié)里，特別強化關(guān)鍵的特點，那么到底使照片變清楚和扭曲真實的分野何在？至二十世紀初，機器重現(xiàn)顯微影像終于擊敗手繪，德國專家克里斯特于一九二七年重要的疾病圖監(jiān)中指出，若顯微鏡學家確實需要繪圖，也該將任務交給未經(jīng)訓練的技師，即可達到最近似機器的效果。機械化帶動進步，顯微鏡也日漸精密，揭露出過去仰賴推測的自然世界面貌。

圖三：微物圖解書中的跳蚤圖
若見到今日電子顯微鏡下的三度空間影像，捕捉昆蟲甲殼最細致的條紋，虎克必然感到震驚，但他希望消滅人為左右的夢想依然難實現(xiàn)。電子顯微鏡學先驅(qū)佛瑟特強調(diào)，科技進步源于人們喜愛無法忠實表現(xiàn)的秩序。一九六○年代中期佛瑟特在他撰寫的《一個信心的篇章》中指出，“人類相信明確、清晰、美好的照片中，真實性高于粗劣、混亂與模糊的成品”，就算是科學家，對畫面清晰的需求也是有所偏好的。非光學顯微鏡愈來愈深入過去不可見的世界之時，人們卻距離現(xiàn)實愈來愈遙遠。今日顯微功能如此復雜，需要將電子訊號轉(zhuǎn)換為人工色彩的視覺畫面。若培根看到電子顯微鏡下的病毒畫面，他可能也會大大反對，指控科學受到“部落崇拜”危害，運用“魔鏡”使人心智受制，出現(xiàn)認知的誤謬。

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X-光繞射與布拉格定律

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X-光繞射與布拉格定律
X-光繞射是最常見用來決定固體晶體結(jié)構(gòu)的工具，簡稱為XRD（圖一）。繞射發(fā)生于當光束被一規(guī)則排列點或線的散射，散射后的同相光產(chǎn)生建 設性干涉，相異相光產(chǎn)生破壞性干涉。如果使用單一波長的X-光來照射晶體，可以觀察到一特殊圖形(pattern)，呈現(xiàn)規(guī)則排列亮點（圖二）或亮暗線條 交錯（圖三）。

圖解：圖一、XRD示意圖（上）與真實儀器（下）

圖解：圖二、奈米氧化鋅棒的電子穿隧顯微鏡影像（左）和XRD圖形(右)

圖解：圖三、二維XRD圖形

亮暗線的位置和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)， 1913年，威廉？勞倫斯？布拉格與威廉？亨利？布拉格兩人，在觀察某些晶體產(chǎn)生的X光反射當中，在入射光的波長與角度的配合之下，可以觀察到強烈的反射峰的現(xiàn)象。此現(xiàn)象即稱為布拉格散射。布拉格定律為描述X-光繞射角度和晶體原子層與層間距離關(guān)系的方程式，nλ = 2d sin θ其中λ為X-光波長，d為層距，θ為繞射角度，n為正整數(shù)。(圖四)

圖解：圖四、布拉格定律示意圖

在晶格當中，上下兩層的平面距離固定，入射光可以被任何一層原子而反射，但只有入射光行經(jīng)距離為波長的整數(shù)倍時可以互相作用形成建設性干涉，由圖五，被第 一層原子反射和被二層原子反射的光之光程差為BG + GF，且BG + BF = nλ。

又BG = GF = d sin θ
故 nλ = 2d sin θ布拉格定律讓兩個布拉格教授共享1915年的諾貝爾物理獎。

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看見化學鍵

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看見化學鍵
看見原子不稀奇，化學鍵沒看過吧？IBM在蘇黎世的研究團隊繼2009年首度公開了化學鍵影像，最近發(fā)表了像奧運環(huán)狀的分子影像，從影像中可以清晰看出連結(jié)相鄰原子間鍵結(jié)的存在。這項結(jié)果發(fā)表在9月出刊的《科學》上。

圖解：碳C、氫H、氧O之間的化學鍵關(guān)系。
這個研究分子影像的先鋒團隊3年前發(fā)表全世界第1個單一分子影像，團隊成員包含法國與西班牙的科學家。這次的新研究成果為研究奇妙物質(zhì)“石墨烯”缺陷的可能性帶來曙光，同時讓科學家得以更清楚了解化學反應中電子的行為。

研究團隊靠一種特殊技術(shù)－原子力顯微鏡來觀察分子影像。原子力顯微鏡是以一個極其微小的金屬探針在物品表面進行掃描，樣品表面會和金屬探頭產(chǎn)生微小的作用力，收集作用力大小變化的訊號藉以描述物品表面的狀況。IBM團隊的新方法很簡單，在銅制金屬探針上黏一個更小的簡單分子作為掃描式顯微鏡的探頭，他們選用的分子是一氧化碳，一氧化碳是由1個碳原子和1個氧原子組成的小分子。由1個一氧化碳分子構(gòu)成的探頭，能準確的記錄原子表面，讓科學家「看」到世上1個單分子影像。如何精確的測量分子表面，一直都是科學家面臨最大的難題與挑戰(zhàn)，測量過程中必須避免來自外在環(huán)境的種種干擾，小小的震動都會影響影像畫面。也許你無法想像，室溫都會提供顯微鏡探針分子能量引起擾動，造成影像模糊，最后科學家不得不在攝氏-268度的超低溫下進行實驗。

讓科學家在化學鍵影像研究得到突破的關(guān)鍵是分子的選擇。第1個單一分子影像是觀測稠五苯，這次實驗中則改選用俗稱巴克球的富樂烯作為觀察的對象。文章第一作者Dr. Leo Gross說：在先前第一個單一分子影像，稠五苯的影像中，我們雖然看到化學鍵，但是我們看不出來不同化學鍵的差異?，F(xiàn)在我們做到了，我們可以看見不同鍵結(jié)的不同物理性質(zhì)，真是太令人興奮了。

了解化合物中不同化學鍵的強度對預測分子形狀、分子穩(wěn)定度和分子反應性來說是很重要的。從分子影像圖，科學家得到更多化學鍵的資訊，例如化學鍵種類和反應中化學鍵的變化，因為化學鍵種類與強弱和形成化學鍵兩原子間的電子對數(shù)目有關(guān)。

接下來研究團隊將繼續(xù)利用這個技術(shù)檢驗石墨烯，石墨烯是一層只由碳原子組成的平面薄膜，其獨特的物理性質(zhì)和超高導電、導熱性，被視為未來重要的奈米電子電路材料。當有其他種類原子混入的石墨烯，石墨烯特有的二維平面結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生皺折或彎曲，對此種缺陷目前所知有限，或許經(jīng)由這個顯微影像技術(shù)可以得到更多可供研究的資訊。未來研究團隊也將嘗試使用不同的分子當作原子力顯微鏡的紀錄探針，希望有一天能更進一步看到分子的內(nèi)部。
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日本研究團隊發(fā)現(xiàn)活體生物的奈米外套

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圖解：果蠅的幼蟲在電子光束照射下的高解析掃描式電子顯微鏡進行活體觀察，發(fā)現(xiàn)會自己形成奈米外套來自我保護。
物競天擇，適者生存！生物為了存活于變化多樣的自然環(huán)境中，發(fā)展出各式各樣的生理機能與結(jié)構(gòu)，例如蓮葉的高撥水性、蝴蝶翅膀的色澤、鯊魚表面的低摩擦力等都廣為所知。模仿生物的微細構(gòu)造而開發(fā)新材料是仿生技術(shù)的熱門研究之一。
生物表面的微細構(gòu)造需要透過電子顯微鏡進行觀察，但必須要處于電子束易于穿透的高度真空狀態(tài)，且有必要將生物材料置于真空管內(nèi)。只是若將體重有約80%水分的生物置于高度真空狀態(tài)，生物會因水分蒸發(fā)而造成體積收縮，以致其表面微細結(jié)構(gòu)變形。故為了觀察近似活體生物的微細結(jié)構(gòu)，需要將生物材料進行化學固定、干燥處理或表面包覆處理，因此以往透過電子顯微鏡觀察的都是已死亡的生物體。
日本浜松醫(yī)科大學和東北大學共同合作所組成的研究團隊，使用高解析掃描式電子顯微鏡，在高度真空狀態(tài)對各種生物進行活體觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一些于體表具有黏性的細胞外物質(zhì)生物，如果蠅或蜜蜂的幼蟲，并無體積收縮現(xiàn)象，不僅能觀察到微細構(gòu)造的表面，還能觀察到其運動行為，且之后從電子顯微鏡取出觀察后的幼蟲，能繼續(xù)飼育變?yōu)槌上x。后來使用未照射電子束，但同樣的高解析掃描式電子顯微鏡，將幼蟲放置1小時后，發(fā)現(xiàn)此果蠅的幼蟲因體積收縮變形而死亡。實驗結(jié)果顯示電子束的照射是此生物體在高度真空狀態(tài)下生命維持的關(guān)鍵。
為了觀察果蠅幼蟲的表面構(gòu)造特征，對照高解析掃描式電子顯微鏡實驗前后的果蠅幼蟲制作超薄切片，使用穿透式電子顯微鏡進行觀察，結(jié)果顯示使用電子束照射的幼蟲個體，體表外層形成50至100奈米的薄膜，但是未經(jīng)電子束照射放置1小時的幼蟲個體則未觀察到薄膜的形成。
此結(jié)果顯示此生物體于高度真空狀態(tài)下，電子束的照射會形成薄膜，以抑制體內(nèi)氣體或液體的散失。另外，使用等離子照射處理也會得到與電子束的照射相同的薄膜。因此實驗團隊進行幼蟲體表細胞外物質(zhì)分析，選定與其類似化學官能基的界面活性劑，對原本無法產(chǎn)生薄膜而會體積收縮導致變形的蚊子幼蟲，于其表面進行涂抹，并進行等離子照射處理，使之形成奈米外套，給幼蟲穿上一件密不透氣的奈米外套，使其在高真空的環(huán)境下，以電子顯微鏡進行活體觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幼蟲的體積未收縮與變形，且能活動自如，觀察后放回飼養(yǎng)池內(nèi)也能變?yōu)槌晌?。后續(xù)實驗也證實蚊子幼蟲體表外層形成50至100奈米的薄膜。
此研究開發(fā)出的奈米外套，使往后的生物研究能藉以直接觀察各種活體生物的微細構(gòu)造與運動方式，期待能進一步理解更多生物的生命現(xiàn)象與行為。

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藍光─把嶄新的光明帶到世界的角落

業(yè)內(nèi)新聞

藍光─把嶄新的光明帶到世界的角落
2014年諾貝爾獎頒給了赤崎勇、天野浩、和中村修二，得獎的理由為發(fā)明新穎、環(huán)保-、節(jié)能、藍色發(fā)光二極體，諾貝爾獎的精神是要把獎項頒給對全人類有最大獲益的發(fā)明。使用藍色發(fā)光二極體，就能用全新的方式制造白光。而LED燈的問市，使得人們現(xiàn)在有比以往的照明設備更加節(jié)能的選擇。

當赤崎勇、天野浩、和中村修二在十二月初抵達斯德哥爾摩參加諾貝爾頒獎典禮時，他們很難不去注意到他們的發(fā)明正遍及在此城市里的所有窗口。白色LED燈發(fā)散出的亮白光線，既持久又節(jié)能。不僅如此，不像螢光燈，它們不含有毒的水銀。
綠色和紅色的發(fā)光二極體大約半個世紀前就存在了，但直等到藍色發(fā)光二極體被發(fā)明出來，照明技術(shù)才有真正革命性的發(fā)展。因為只有紅、綠、藍色這三種顏色的光合而為一才能夠產(chǎn)生為我們照耀世界的白色光。盡管科技業(yè)界及學界投注了大量的心力，藍色發(fā)光二極體的研發(fā)仍花了30年的時間。
赤崎勇與天野浩是名古屋大學的同事；中村修二則發(fā)跡于日本德島的一家小公司─日亞化學工業(yè)公司。當他們?nèi)怂邪l(fā)的二極體終于產(chǎn)生高亮度的藍色光以后，就引發(fā)了光電科技的全面變革?？梢哉f，照亮20世紀的是白熾燈，照亮21世紀的是白色的LED燈。

節(jié)省能源與資源
一個發(fā)光二極體，是由好幾層的半導體物質(zhì)所構(gòu)成的。在LED里面，電直接被轉(zhuǎn)化成光，與其他光源相較更為節(jié)能，因為其他的光源將大部分的電轉(zhuǎn)換成熱能，只有少部分的電轉(zhuǎn)換成光。白熾燈也好，鹵素燈也罷，都是使用電流加熱燈絲來發(fā)光。之前被稱為節(jié)能燈具的螢光燈，則是藉由電來激發(fā)氣體，進而產(chǎn)生光和熱。在LED燈問世后，螢光燈的節(jié)能稱號便拱手讓出。
因此，相較于以往的照明設備，新的發(fā)光二極體僅需少許的能量。今日，LED燈還在持續(xù)不斷地改良，只為追求更加節(jié)能，讓每單位輸入電能所達到的光通量愈來愈高。關(guān)于一顆LED燈的最新記錄是每瓦300流明，相較之下，一般白熾燈泡只有每瓦16 流明，日光燈管頂多每瓦70流明。由于全世界的用電量中有四分之一用于照明，LED燈的貢獻就是大大節(jié)省世界的能源。LED燈也比其他照明設備長壽。在燈絲被燒壞前，白熾燈可以使用約1千個小時，螢光燈則為1萬個小時，而LED燈可以使用約10萬個小時，因此使用LED燈能讓物料的耗損顯著地縮小。

從半導體中產(chǎn)生光
LED科技與當今的行動電話、電腦和所有依據(jù)量子現(xiàn)象的電子裝置，有著相同的工藝。發(fā)光二極體摻雜數(shù)層半導體材料：n型層的多數(shù)導電粒子為帶負電荷的電子，而p型層則缺少電子，其多數(shù)導電粒子為被描述成帶有正電荷的電洞。
在這兩者之間是一個活性層，當半導體通上電以后，就會驅(qū)動在其間帶有負電荷的電子與帶有正電荷的電洞。電子和電洞相遇時就會重新結(jié)合并發(fā)光。至于光的波長則完全要看半導體的材質(zhì)。用七彩的彩虹來觀察，藍光屬于短波光的一端，所具能量較高，只有某些物質(zhì)能產(chǎn)生藍光。
歷史上第一個描述半導體發(fā)光的情形，出現(xiàn)在亨利．朗德1907年的記載，他是1909年諾貝爾獎得主古列爾莫·馬可尼的同事。之后在1920、30年代，蘇聯(lián)的奧列格·羅賽夫進行了更進一步的半導體發(fā)光研究。但是朗德和奧列格缺少了真正了解這種現(xiàn)象的知識。要等到數(shù)十年后建立起電致發(fā)光的理論時，才為此種現(xiàn)象提供必要的理論說明。
在1950年代末葉就已發(fā)明紅色的發(fā)光二極體。這些LED被用在電子表和電子計算機上，或是用在不同的裝備上顯示電源開關(guān)的狀態(tài)?？茖W家在非常早期就已看出為了制造白光，需要發(fā)明具有短波長、高能量光子的藍色二極體。許多實驗室都嘗試過，但是都失敗了。
挑戰(zhàn)常規(guī)
這三位獲獎的科學家挑戰(zhàn)舊有所謂的真理；他們努力工作并冒了極大的風險。他們自己建造設備，學習這領(lǐng)域的科技，并進行了數(shù)千次的實驗。盡管他們大部份的時間都失敗了，但他們并沒有因此絕望；這是實驗者精神的最高境界。
赤崎勇和天野浩選用氮化鎵作為制造藍光的材料，中村修二也選擇同樣的材料，他們的努力最終獲得了成功，只因走在他們之前所有的失敗者都沒有使他們心生動搖。在此項研究的早期，研究者認為這項材料比較適合拿來生產(chǎn)藍光，但是實際操作起來卻非常困難，因為要在其上制造合適的表面讓氮化鎵生長結(jié)晶，咸認是一項不可能的任務。除此之外，在這個材質(zhì)上也幾乎不可能產(chǎn)生p型層。
但是，赤崎勇還是堅信先前的經(jīng)驗，認為選用這個材料是正確的，便繼續(xù)和當時正在攻讀博士的天野浩一起研究。在日亞化學工業(yè)任職的中村修二也選擇了氮化鎵而非硒化鋅。

要有光
在1986年，赤崎勇和天野浩首次成功產(chǎn)生高品質(zhì)的氮化鎵結(jié)晶，他們放置一層氮化鋁在藍寶石基板上，然后在最上面生成高品質(zhì)的氮化鎵結(jié)晶。直到1980年代晚期，他們在產(chǎn)生p型層上有了重大的發(fā)展。赤崎勇和天野浩誤打誤撞地發(fā)現(xiàn)，他們的材料在放射性掃描電子顯微鏡之下，會更加劇烈地發(fā)光。這意味著顯微鏡的電子束讓p型層運作得更有效。到了1992年，他們展示出第一個能照射出亮藍光線的二極體。
中村修二在1988年開始研發(fā)他的藍色LED。二年后，他也成功地生成高品質(zhì)的氮化鎵。他發(fā)現(xiàn)一個聰明的方法來生成結(jié)晶：他先在低溫下生成一抹薄薄的氮化鎵，之后將溫度升高來生成后續(xù)的其他薄層。
中村修二同時可以解釋為什么赤崎勇和天野浩可以成功產(chǎn)生p型層：電子束移除防止Ｐ型層形成的氫。中村修二自己則用了更簡單更便宜的方法來取代電子光束：他在1992年，藉著加熱所使用的材料，使他產(chǎn)生能運作良好的p型層。因此，中村修二的所采取的解決方法和赤崎勇和天野浩并不相同。
在1990年代，這兩個研究的團隊也成功地進一步改良藍色LED，使它們更有效能。他們使用鋁或銦，來與氮化鎵鑄造成不同的合金，發(fā)光二極體的構(gòu)造也變得更復雜。
赤崎勇和天野浩一起，還有中村修二，都發(fā)明了藍光雷射，而大小如沙粒般的藍色LED是其中重要的元件。藍光雷射與LED四散的光線不同，會發(fā)射一道鋒利的光束。因為藍光的波長很短，可以更緊密地聚合在一起；若在同樣的區(qū)域，藍光可以比紅外線光儲存多4倍的資訊。藍光雷射增加儲存容量的優(yōu)異能力，旋即促使人們發(fā)明有更長播放時間的藍光光碟，也促進人們發(fā)明更好的雷射印表機。
很多家用的裝置也都配有LEDs。電視、電腦、手機配有LED螢幕，相機也有LED提供光源和閃光。

圖解：LED燈只需要更低的電力就能比其它的燈發(fā)出更亮的光。燈泡的效能是以每一單位的電功率所產(chǎn)生的光通量為評判標準。由于世界上的電力大約有四分之一用于照明，使用高度節(jié)能的LED燈就能協(xié)助節(jié)省地球上的資源。
光明的解決之道
三位得獎者的發(fā)明在照明科技這個領(lǐng)域上引領(lǐng)了突破性的大變革。更新穎、更節(jié)能、更便宜、更聰明的燈泡還在不斷研發(fā)當中。白色的LED燈有兩種不同的制造方式。方式一是使用藍光去刺激磷光體，使其同時激發(fā)出紅色和綠色的光；當所有的光聚集在一起，白光就產(chǎn)生了。另一個方法是把燈設計成結(jié)合紅、綠、藍這三種顏色的LED燈，讓眼睛自己去把這三種色光揉合成白光。
因為LED燈有如此大的彈性，早已廣泛應用在照明的領(lǐng)域－可以制造出數(shù)百萬種不同的色光；光的顏色和亮度可依需求做變化；五彩繽紛的光板，面積可達好幾百平方公尺，既可閃光，也可改變顏色和花色；而且所有這些都可以用電腦控制！這個可以控制光的顏色的可能性，也意味著LED燈可以復制自然光的變換，也可依照我們的生理時鐘變換顏色。使用人照光來進行溫室栽種如今也已經(jīng)實現(xiàn)。
當提到可能可以藉由LED燈，為超過15億活在無電纜系統(tǒng)的人們增加生活的品質(zhì)時，LED燈代表的是美好的愿景，因為這種燈源耗電量低，只需當?shù)乇阋说奶柲馨l(fā)電就能使人享有光明。此外，使用紫外線LED燈就可以把受污染的水消毒，而這又是繼發(fā)明藍色LED后的一大杰作。
藍色LED問世雖然只有20年，但早已在創(chuàng)造白光一事上居功至偉，并以全新的方法造福世界上的每一份子。

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