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【極光片語】吊帶褲上的原子力顯微鏡

在上一集的【極光片語】中,博學多聞的IBM研究團隊以跨領域知識化解危機,順利地推出了磁碟機這項史上第一個商業化的隨機存取裝置,間接讓全球經濟逆風高飛,當時科學家們為了提高碟片的空間儲存密度,無不想盡辦法縮小磁軌,好在一張碟片上塞入更多資訊,當科學家終於把磁軌縮小到奈米等級後,卻面臨了新的難題:磁軌太細了,沒有儀器能夠測量這麼微小面積的磁力分佈,要怎麼繼續做研究呀?「你們的聲音,我都聽到了!」專門研究探針掃瞄的IBM科學家Jonathon (John) Mamin說,「快來試試我這台用原子力顯微鏡改裝成的磁力顯微鏡吧。」

磁力顯微鏡(magnetic force microscope, MFM)能夠偵測微小面積上的微弱磁力,是原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)的變形,說到原子力顯微鏡,就不能不提到它的前身——掃描式穿隧電子顯微鏡(scanning tunneling microscope, STM),這項讓人「大開眼界」看到原子表面的發明,不僅開創了奈米科技紀元,也讓 Gerd Binnig Heinrich Rohrer 兩位IBM科學家獲頒1986年的諾貝爾物理學獎。常理來說,如此高科技的STM應該誕生於頂級的精密實驗室,沒想到STM的搖籃,竟是Rohrer博士褲頭上的吊帶。

發明掃描穿隧顯微鏡(STM)的科學家Gerd Binnig(左)與 Heinrich Rohrer。圖片來源:IBM

發明掃描穿隧顯微鏡(STM)的科學家Gerd Binnig(左)與 Heinrich Rohrer。圖片來源:IBM

奈米科技的迷人之處在於微觀世界中的有別於宏觀世界的量子和表面性質。物質進入奈米尺度後,表面積佔體積的比例大大提升,一顆直徑20奈米的小金球只有6%的金原子分佈在表面,而直徑1奈米的小金球中99%的原子都暴露在表面,由於所有物質間的反應都發生接觸面,所以物質表面性質的研究是很重要的,而奈米物質的高表面積特性正提供了科學家研究原子的凡得瓦力、氫鍵、電荷等表面效應的大好機會,因此科學家極度渴望能夠觀測原子表面的超高倍率顯微鏡。

在1980年代,光學顯微鏡可以將數百奈米的視野放大到肉眼可見的大小,電子顯微鏡能觀測到數十奈米的微小物體,但都沒有實際方法能夠測出原子的樣貌,直到Binnig 和Rohrer發明了掃描式穿隧電子顯微鏡(STM),科學家才能探索這個小小世界的奇妙之處。STM的原理——量子穿隧效應——在1890年代就被法國物理學家貝克勒(Henri Becquerel)所提出,他也因此與居禮夫婦共同獲得1903年的諾貝爾物理學獎。根據量子穿隧效應,當一根極尖的金屬探針與樣品(需為金屬)距離僅僅數埃(Å,10-10公尺)時,樣品表面的電子會被探針尖端吸引,並且有機會衝進探針,形成大約100皮安培(皮,10-12)的穿隧電流,電流的大小在這個特定範圍內會隨著距離的負指數次方而改變。所以,理論上只要讓一隻細針在金屬樣品上穩定的水平移動,就能藉由穿隧電流的變化得知表面的高低起伏。

但是,but,人生中最重要的就是這個but。理論是美好的,而現實是殘酷的,90年來都沒有人將穿隧電流做成顯微鏡一定是有原因的。科學家從理論走進現實後所面臨最大的魔王,是環境中難以抗拒的低頻振動。由於穿隧效應的性質,儀器只能在相當於5~10個原子的距離範圍內測到電流訊號,而自然界中無所不在的振動會輕易地將探針振動到有效距離之外,若無法避免振動擾亂訊號,穿隧電流顯微鏡的想法就無法實現。

「消除振動?可以用光學桌呀。」你心裡可能這麼想。頂級的光學桌有堅硬沈重的花崗石桌面和有彈簧性質的氣浮桌腳,可以過濾掉高於氣浮桌腳共振頻率的波,例如由人們走路、搬東西、關門等動作對地面造成的振動;但是除了這些人造的振動,建築物本身也會產生低頻振動,這卻不在光學桌的振動過濾範圍內。

每一棟建築都有不一樣的自然振動頻率,樓層高的頻率低,樓層低的頻率高,依照建築、結構又有所不同,但大抵都在0.1到幾個赫茲(Hertz, Hz)左右的範圍。人類耳朵可以聽到頻率在20~20000赫茲的聲波,大象、藍鯨等可以用低於20赫茲的次聲波溝通;波的頻率越低可以傳得越遠,大象0.5赫茲的叫聲能夠傳到20公里遠,同樣的,建築物結構的低頻振動也能遠播不易消失。建築的振動受到自然環境影響,高聳的建築受到風吹的力較大,許多高樓都有避震系統減輕風吹導致的搖晃,像是台北101大樓在92層樓下方懸吊的超大型金光閃閃阻尼球,就是全球最大的阻尼器,不僅可以吸引觀光客前往參觀,也可以吸收40%由風吹造成的晃動,避免觀景台上的情侶因暈船而搞砸浪漫約會。

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台北101的球形阻尼器可以吸收風吹的能量,減少40%的搖晃。照片來源:維基共享資源

為了排除這些光學桌無法吸收的樓房振動,STM的發明家如果遵循傳統的設計理念,思考出來的解決之道或許是找個地下室、礦坑之類的平穩場域來進行實驗。可是身處瑞士的Rohrer與Binnig,要上哪兒找礦坑做實驗呢?同時,當時STM的計畫純粹是他們倆的業餘興趣,沒有研究經費補助支持,他們也無法蓋一間豪華地底實驗室,這下他們該如何是好?

正當兩人思索這個問題時,空氣間隱隱傳出一道謎之聲:「If you cannot fight it, join it!」穿著吊帶褲的Rohrer博士低頭細細咀嚼這句話的玄外之意,眼神正好落在身上那條曾伴隨自己度過無數研究夜晚的吊帶,他頓時豁然開朗:「無所不在的地面振動源根本無法完全隔離;既然連光學桌都不能讓它固定不動,不如就讓整台儀器一起動唄!我身上這吊帶可看作是彈簧⋯⋯其實不就和光學桌的氣浮桌腳有異曲同工之妙嗎?」

Rohrer與Binnig立馬重新設計STM,將探針放置在一個緊密堅實的剛體(rigid body)結構內,再用吊帶將包含探針在內的STM剛體結構懸在天花板下方,就像像用Q彈的橡皮筋吊著一顆堅硬的石頭,吊帶跟光學桌一樣可以過濾掉從環境傳入STM剛體結構的高頻振動,雖然吊帶會讓整台STM在空中晃動,但只要適當地設計新版本剛體結構STM中探針的共振頻率,就可以避免傳入的振動源影響針頭與樣品間的距離!

自穿隧電流被發現以來的90年,為解決振動問題,科學家不斷尋找更穩定的環境卻都枉然,Rohrer與Binnig用靈活的思路、基礎的知識,以概念翻轉的懸吊式光學桌,拉大儀器與環境的振動頻率差,成功催生世界上第一台STM,進而推動奈米研究的大躍進。「他們確實活用了基礎知識,所以我們開玩笑說這是第一次以力學成果得到的諾貝爾獎。」李老師說。

STM

結構緊密如剛體的STM

Rohrer與Binnig設計出用吊帶掛著剛體結構的STM,就像用橡皮筋著一顆石頭,橡皮筋 可以隔離外來的振動源,雖然橡皮筋會讓石頭上下晃動,但不會造成石頭內部的振動。攝影/陳聖尉

Rohrer與Binnig設計出用吊帶掛著剛體結構的STM,就像用橡皮筋著一顆石頭,橡皮筋可以隔離外來的振動源,雖然橡皮筋會讓石頭上下晃動,但不會造成石頭內部的振動。攝影/陳聖尉

高靈敏度與大測量範圍如何兼得?

打敗了振動大魔王,科學家還得想辦法打破「精準度與測量範圍如魚與熊掌不可兼得」的鐵律。這種「有一好,沒兩好」的原則適用於所有人造測量儀器,例如智慧型手機裡的加速規,能夠測量人們行走時的加速度變化,但測量範圍一般只在1~2倍的重力加速度(我們稱之為1~2G);而飛機上的加速規可以測量如美軍A10地面攻擊機轉彎時產生高達十幾G這種足以令人昏厥的強大加速度,此種等級的儀器雖然測量範圍廣,卻無法取得很高的加速度解析度。

以穿隧電流為原理的STM非常靈敏,可以測出幾顆原子等級的距離變化,卻只能測量樣品表面5~10埃的高低起伏。由於穿隧電流的強度與距離的指數次方呈負相關,只要探針與樣品之間的距離稍微縮短一個原子長度,穿隧電流就會瘋狂增加。但是穿隧電流只在兩物體相距5~10埃時發生,只要樣品表面稍微粗糙一點,就會導致水平移動的掃描探針撞牆或遠離樣品而失去訊號,因此測量範圍非常侷限。

「這種問題的解決方法都是一樣的。」李老師說。在STM的案例中,若固定探針的高度,而直接以穿隧電流的強度高低推算樣品與探針間的距離來描繪樣品表面地圖,測量範圍當然會受限於5~10埃的表面起伏;若探針能隨著樣品表面高度移動並維持固定距離,即使樣品表面有10埃以上的起伏也不怕了,但是探針與樣品間的距離如此微小,光是測量就不容易了,要怎麼維持他們的距離呢?

STM的針尖與樣品必須距離5~10埃才能作用。圖片來源:維基百科

STM的針尖與樣品必須距離5~10埃才能作用。圖片來源:維基百科

聰明的科學家巧妙地將STM的靈敏特性轉換成擴大測量範圍的工具:敏感的穿隧電流可以讓固定探針與樣品間距離的回授機制更加精準。由於穿隧電流對距離的反應非常靈敏,當穿隧電流增加時,就代表樣品正在逐漸靠近探針,這時儀器會立即通電到探針懸臂上的壓電材料,壓電材料通電後會改變長度,懸壁稍微縮短後就可以保持探針與樣品間的距離,最後讓儀器本身記錄驅動壓電材料的電壓,再換算出探針移動的距離,即可繪出樣品表面的樣子,如此一來,STM可測量的距離範圍就能遠遠大於穿隧電流所限制的5~10埃啦。「利用敏感的電流變化控制探針高度,就像是擁有一雙靈敏的雙眼,眼睛看得清楚後,雙手就能控制得精準。」李老師補充說明。

科學家藉由偵測穿隧電流強度來控制探針高度的方法,與外科醫師執行顯微手術大同小異。人們的頭髮直徑大概是80~125微米,拔下一根頭髮放在眼前細細端詳,光是將眼睛焦距調整在髮絲上就會讓人變鬥雞眼,而面對僅僅數微米粗的神經纖維,外科醫師竟能直接用雙手進行縫合!其實醫師執行顯微手術的法寶是那架在眼前的顯微鏡,當視覺的解析度增加,手眼協調的準確度就會放大。「從加速規等感應子的設計到微創手術用的顯微鏡,都是以靈敏的感應子(Sensor)來提高反應的精準度,這些道理是一通百通的!」李老師說。

醫師進行顯微手術。照片來源:維基百科。

醫師進行顯微手術。照片來源:維基百科

Just do it! 不試怎麼知道行不行得通?

1981年,IBM蘇黎世研究院的Rohrer博士以及他所提攜的Binnig博士共同發明了掃描式穿隧電子顯微鏡STM,成功測量出金屬表面奈米等級樣貌,因而在1986年獲得諾貝爾物理學獎,這年,Binnig博士進駐了IBM位於美國加州的阿爾馬登研究中心(Almaden Research Center),並且與史丹佛大學的Calvin Quate教授、IBM蘇黎世研究實驗室科學家Christoph Gerber三人共同發明了第一台原子力顯微鏡(AFM),這是一項衍伸自STM的發明,適用的樣品種類也擴增到STM無法測量的非金屬物質。

穿隧電流是STM測得出金屬表面奈米構造的原理,「有什麼性質是非導體也適用的呢?」Binnig博士心想,「對了,那萬物間無所不在的凡得瓦力!」原子間存在著凡得瓦力、氫鍵、共價鍵等微小的作用力,當物體越小,這些原子間作用力的影響會相對放大,當兩個物體逐漸靠近,凡得瓦力會讓彼此互相吸引,但當兩者相距最小距離時,凡得瓦力又讓彼此互相排斥。因此探針與樣品在特定距離時會產生快速的上下振動,只要測量探針的移動,就能得出樣品的表面特性。

為了讓探針受到微小的原子間作用力後可以自由振動,探針的懸臂必須相當柔軟,第一代的探針懸臂(cantilever beam)使用了鋁箔紙作為材料,鋁箔紙不僅夠軟,而且還是金屬!為什麼要特別強調鋁箔是金屬?只有當懸臂是金屬,第一代AFM探針的振動才可以用STM來測量。

這時AFM的研究速度已如海浪般難以抵擋,利用STM測量鋁箔紙探針懸臂起伏的第一代AFM很快就被後浪推倒在沙灘上,因為用這種方法測量懸臂振動還是太複雜了,取而代之的是光學槓桿法。只要打一束雷射光在探針懸臂上,讓雷射光的反射角度隨著懸臂的移動而改變,再用四象限光學感測器測量雷射光反射的偏移,就可以換算出懸臂的高度變化。當初光學槓桿的想法曾受到很大的質疑,因為理論上干擾因素太多了,然而實際上在AFM的微小空間中卻是可行的,現在的AFM也都採用光學槓桿測量。「我們常常設想太多而做太少,還以為什麼都不可行,而真正嘗試後才發現其實行得通。『just do it!』在很多時候都是成功的機會。」李老師說。

AFM藉由光學槓桿放大折射光因探針位置改變產生的位移,來推算樣品表面。攝影/張凱智。

「當技術的基礎平台被開發後,衍伸的應用會發展神速。」李老師接著說。自AFM在1989年上市後,各式各樣由AFM衍伸出的儀器如雨後春筍般蹦出,沿用AFM的架構,只要改變探針材料就能用來測量不同的物質和作用力——金屬探針藉由穿隧電流測量金屬表面;利用凡得瓦力的吸力或斥力的原子力顯微鏡(AFM)可以測量一般的元件;帶靜電的探針可以測量原子等級的帶電量,這個方法也就構成了靜電力顯微鏡(electrostatic force microscope, EFM);將AFM的探針改成鈷製探針可以建構出磁力顯微鏡(magnetic force microscope, MFM)來測量磁場分布……。

在那個磁碟機產業與技術均蓬勃發展的年代,當IBM的John Mamin博士首次於國際會議上發表新發明的磁力顯微鏡(MFM),台下聽眾無不低頭猛抄筆記,會後紛紛出去打電話,以當時最快速的方式傳遞這重大消息。不到一週的光景,全世界的公司都知道如何生產MFM,同時也有許多公司推出MFM儀器來販售,由於當時磁碟機是個八百億美金的市場,龐大的產業需求直接加速了MFM的普及。

科技,始終起於人性

Rohrer博士在諾貝爾獎感言中提到了在IBM的日子:「在IBM蘇黎世研究實驗室的那些年裡,我特別感謝那自由的研究氛圍,讓我能盡情投入在讓我著迷不已的領域。」自由的研究環境和同儕間的砥礪讓 Binnig 與 Rohrer 兩人有靈活的思維和既深又廣的基礎知識,能跳脫框架,做出上個世紀數一數二的重要發明。

STM和其衍伸出的AFM、MFM、EFM等各式奈米級顯微鏡,誕生於發明者的求知慾,不僅讓探索微觀世界和研究尖端科技的科學家道具升級,也餵飽他們好奇的腦袋;有別於這些讓人熱血沸騰的發明,日本的科學家用科技所滿足的,是人性中渴望陪伴的需求。柴田崇德博士(Takanori Shibata)在2003年開發了超萌療癒系機器小海豹「Paro」,它有毛絨絨的可愛外表,可以與人進行簡單的互動,雖然它不會每日向人道聲「喔嗨呦~」,也不會幫忙做家事,Paro卻有神奇的魔力,讓養老院的爺爺奶奶心頭暖暖並重展笑顏。究竟,機器人撫癒人心的公式是如何推導?與它們建立的情感又能否計算?我們下回見。:)

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談,每一段小故事、小物件的背後,都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物,象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧;傳說見到極光會帶給人一輩子的好運,期待讀者在本專欄得到的啟發,都能像看見極光般感動。

關於作者

雷漢欣

PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。