矽奈米薄膜開創指尖電子學

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《近場光學顯微術，開啟奈米世界大門》
• 作者／簡靖航｜科技大觀園特約編輯

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後，從 20 世紀後半⾄今，突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸（約為光波長的⼀半，以可⾒光來說約 200-350 nm），仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑，⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場（far field）與近場（near field）兩⼤類，這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長（約數⼗奈米）處進⾏量測，若有則為近場，其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度， 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺，專攻近場光學顯微術，屬於探針掃描顯微術（Scanning probe microscopy, SPM）中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術，家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術，依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中，最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡（Scanning tunneling microscope, STM），其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流（註1），作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離，⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡（Atomic force microscope, AFM）則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術，其以針尖接觸（contact）或輕敲（tapping）物體，藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒，得知物體表⾯的高低起伏。 

在探針掃描顯微術中，控制針尖與物體的相對距離是重要的課題，STM 可控制距離在一奈米以下，AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外，要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」，其尺度都會在微米級別以上，這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場，⽽導致晶格長度的伸長或者收縮，即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術，探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎，外加光源於針尖上，即為近場光學顯微術（Scanning near-field optical microscopy, SNOM），依照光源形式的不同可區分為兩⼤類： 

1. 微孔式近場光學顯微術（aperture SNOM，簡稱 a-SNOM） 
2. 散射式近場光學顯微術（scattering SNOM，簡稱 s-SNOM）

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖，先鍍上⼀層⾦屬薄膜，並打上⼩洞，讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出，得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上，並量測散射後的光訊號。其中，針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡（Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS）是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式，主要為量測拉曼散射光譜，即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱，透過探針鍍上⾦屬薄膜，即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果，來增強待測物的拉曼訊號，並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間，其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測，需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合，用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主，曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果，維基百科的 TERS 條⽬，也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後，陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM，兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上，因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM，以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外，穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易，是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式（contact mode）的 AFM 方式掃描，以防止輕敲式（tapping mode）起伏會干擾光訊號，代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡，能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅（在⼀個奈米以下），可以大幅提高 AFM 的形貌解析度，也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗，才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度，但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性，經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM，因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度，來解釋近場光學所量測的結果，以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外，陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測，將針尖與光學元件整合在自製的腔體（cage system）之中，得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像，這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後，⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員，「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽，陳祺分享⾃⼰的⼼得：「是不可能兼顧的啦！先集中精神做好⼀件事，等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事， 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1：量⼦穿隧電流：在量⼦世界中，物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質， 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時，有不為零的機率穿過去，並產⽣穿隧電流（tunneling current ）。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減，因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

• 作者／蘇仁福、曾明騰
• 繪者／Oliver Wei、卡斯威爾

藥到命除

麻醉用的藥物其實自古就有，例如：酒精、曼德拉草（Mandragora）、天仙子、大麻、鴉片等等，有些醫師為了減輕病人的疼痛，甚至連催眠也用上了。

酒精的麻醉歷史最為古老，據說西元前三千年，人們就已經開始將酒精運用於麻醉之上。

除了酒精，鴉片的歷史也同樣淵源流長。

西元一五〇到二〇〇年，希臘軍醫迪奧斯科里德斯（Pedanius Dioscorides），則是不做選擇兩種都要，他使用的正是在《哈利波特》中擔任解藥一角的曼德拉草。

迪奧斯科里德斯的麻醉配方，是以紅酒燉煮曼德拉草的根部，讓病人在進行截肢手術之前喝下，目的是為了使病人陷入沉睡並幫助止痛；他也是第一位使用麻醉（Anesthesia）這個術語的人。

在越過海洋的遙遠東方，同時期的華佗，則成為醫學史上第一位使用麻醉藥——也就是鼎鼎大名的「麻沸散」——來進行外科手術的醫師。

可惜的是，無論東方西方，這些麻醉藥物的處方並沒有流傳下來，湮沒在歷史之中；幾個世紀之後，回教世界的醫生又轉身投入各種草藥的懷抱，並且藉此來為病患止痛。

這些草藥不僅劑量難以控制，止痛的效果也同樣需要打上問號。許多病人不是在手術途中，因為疼痛而呼天搶地，就是悲傷的陷入長眠，從此一睡不醒。

別擔心，在現代的手術中，這些難以預期的草藥已經不再被人們使用；然而在那個遙遠的年代，強壯的助手依然是外科手術的必備要素。

如果你想問，在沒有麻醉的手術臺上，該如何處理疼痛問題？當然是忍啊！忍無可忍，就繼續再忍！畢竟，那個年代可沒有安心亞能幫你呼呼。

英國研究、美國取樂

「乙醚」的發現，無異是麻醉史上最重要的第一步。

這個玩意兒來自於十三世紀一位煉金術士的配方，因為其味甘甘，當時還被取名為「甜礬」。一直到十七世紀，一位來自瑞士的醫生（同時也是煉金術師）──帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）才發現，這傢伙除了甜，居然還具備著令人意外的止痛效果。

只可惜，身為內科醫師的帕拉塞爾蘇斯和外科手術臺不熟，因此沒能發揮乙醚的鎮痛專才。

被稱為「笑氣」的氧化亞氮（Nitrous Oxide, N2O），則為麻醉史取得另一項重大的進展。

一七二二年，英國化學家普利斯特利（Joseph Priestley）首先發現了這種氣體；一八〇〇年，同為英國化學家的戴維（Humphrey Davy）則經由觀察得知，這款氣體可以讓吸入它的人感到十分愉快，並且興奮的捧腹大笑，他因此將它稱為「笑氣」。

之後，戴維更進一步的發現（這其實是他親自吸入後的心得），笑氣，居然也可以舒緩牙痛！再之後，戴維的助手法拉第也發現，吸入乙醚和吸入氧化亞氮的效果差不多，都能夠舒緩疼痛。

無論是乙醚還是笑氣，即便它們的止痛效果在十八世紀已逐漸為人所知，依然要等到十九世紀的中期，才真正被人們當作麻醉劑使用。

散播歡樂的笑氣，在傳入大西洋對岸的美國之後，成為一種超時髦的取樂方法。

除了用以享樂，當時還有兩種醫生，對笑氣的麻醉效果深感興趣。一種是需要進行深度全身麻醉的外科醫師，至於另外一種，則是需要進行局部麻醉的牙醫師們。

當時的美國醫學院與牙醫學院的醫學生們，甚至會不定時的舉辦「乙醚狂歡會」與「笑氣派對」，號稱吸了之後，恐怖感↓ 愉悅感↑，連大腦都在顫抖抖抖抖抖。

一八四二年，一位參加過「乙醚狂歡會」的學生根據自身經驗，向他的牙醫波普（Eljia Pope）提出建議，認為乙醚或許可以幫助需要拔牙的病患來消除疼痛。

波普真的採納了這個建議，將乙醚使用在一位需要拔牙的女病患身上，這名女病患，因此成為史上第一位經歷「無痛拔牙」的患者。

說起來，無痛拔牙可真是個好東西，時至今日，因為醫學技術的進步與麻醉的普及，（成年的）病人也因此技術，不再視拔牙為畏途（應該吧）。

——本文摘自《奇怪的生物知識增加了》，2021 年 10 月，聚光文創。

在昆蟲中，色彩鮮豔又顯眼的物種往往使人著迷，尤其蝴蝶向來是相當受人喜愛的一群昆蟲。一般人見到蝴蝶時，目光肯定會集中在牠們那五彩繽紛的翅膀。

蝴蝶的翅膀表面布滿著無數的鱗片，每一個鱗片的長度大約介於 50 ~ 200 微米之間（1 微米 ＝ 0.001 公釐）。不同種類的蝴蝶，鱗片的形態也會有所差異，但共通點都是非常容易脫落。

包含蝴蝶的鱗片在內，昆蟲身上呈現出來的許多色彩，是由天然色素所構成，這稱作「色素色」（化學色）。但也有部分顏色屬於「構造色」（或稱物理色、結構色），與體表結構的物理性質有關。

結構賦予的幻紫湛藍

構造色通常由週期性排列的微觀結構，如小突起、溝紋等所造就，這些結構使光線產生反射、干涉、繞射等光學效應，而讓特定波長的光被保留了下來。

構造色並常伴隨著「炫彩」特性，也就是色彩光澤會隨著人眼觀看角度的不同而出現些微變化，讓一隻昆蟲顯得璀璨閃耀。有些蝴蝶在展翅時，會呈現出類似金屬、珍珠般的光亮質感，這類特徵往往便是源自構造色。（註：炫彩（iridescent），也常被譯作「虹彩」、「虹光」）

中南美洲叢林中的「閃蝶」（Morpho，又稱摩爾福蝶）是構造色相當有名的例子。閃蝶的藍色翅膀鮮豔奪目，質感宛如珠寶，因此身價不凡，是眾多標本收藏家愛不釋手的珍品。

閃蝶翅膀呈現金屬藍色，然而翅表面的鱗片並沒有藍色色素，這樣的炫目的色澤歸功於鱗片上奈米尺度的多層次塔狀結構。當陽光映照在鱗片時，部分光線可能會直接被反射，有些光線則穿過部分結構，接著被底下層次的結構反射，而許多被反射的光線，彼此還可能發生交互作用。最終，鱗片的這些微結構反射了大部分藍色光芒，使得翅表面呈現明亮耀眼的金屬質感。

鱗片已經非常的小，當然鱗片上的結構是我們人類肉眼所看不到的，所以科學家在探究這些構造時，必須透過電子顯微鏡才得以一窺究竟。

拿現實生活中的物品來比喻，可以說閃蝶體表閃耀的色澤，性質有些類似 CD 光碟片的表面。光碟片在光線下會顯現七彩的光澤，而這些光澤是光碟表面細小微妙的溝槽造成的繞射效果。

在台灣的我們，除了博物館裡才有機會目睹的閃蝶，有沒有什麼活生生的例子可以讓我們一窺構造色呢？常見的「紫斑蝶」（Euploea），就是很好的觀察對象。牠們不只是數量多，同時又是蝴蝶中動作較為緩慢的種類，因此要近距離接觸牠們並不難。

紫斑蝶前翅背面雖然呈黯淡的褐色，但當牠們展翅時，這些鱗片在陽光下會散發出藍色至藍紫色的絢麗色彩，並且顏色深淺隨著角度的變化非常明顯。這同樣是由於光線照射在鱗片表面的物理結構，反射了特定波長光線的緣故。

其實不只是成蟲，構造色也可見於紫斑蝶的蛹。紫斑蝶的蛹呈亮麗金黃色或銀色，炫彩極為明顯，這是由於表皮底下層層排列的薄膜狀結構，對光線產生了影響。

當然，構造色的形式還存在許多昆蟲身上，常見的幻蛺蝶（Hypolimnas bolina kezia）、蘭嶼的珠光裳鳳蝶（Troides magellanus）都是構造色相當鮮明的例子。一些金屬質感的吉丁蟲、金龜子、灰蝶，其華麗的外觀往往也與構造色脫不了關係。

這一身醒目的光澤，對昆蟲而言可能帶有警告的意味，因為許多鮮豔明亮的昆蟲有毒，或嚐起來具有特殊臭味。日光下閃爍的炫彩也可能具有隱蔽的效果，或者與同種個體間的辨識溝通有關。

似白非白的鱗片

我們可能常常直覺的把構造色與光亮的炫彩畫上等號，事實上在大自然裡，生物的構造色不見得都是如此。

我們在平地或山區都有機會見到，分布範圍相當廣的白粉蝶（Pieris rapae），身上其實也具有大片的構造色，但我們在牠身上看不到光輝的炫彩現象。

白粉蝶的翅膀，有局部的鱗片具有黑色色素而形成深色斑塊，其他區域則主要呈白色，或略帶有一點淡黃。以往，白粉蝶身上單純的色彩多被認為是色素色，可是那些佔大多數的白色鱗片，實際上並不含白色的色素。

在白粉蝶的鱗片表面，具有許多枝狀的構造，其表面又附著了許多如珠子般的微小顆粒，顆粒本身也沒有色素成分。其實是這些顆粒反射了特定光線，導致翅膀呈白色的構造色。

不管是構造色的成因，以及所造就的色彩樣貌，當中複雜且多樣的機制，往往遠超出人類所想像。許多的昆蟲的表皮，構造色與色素色這兩類色源，並時常同時存在，兩者交織構成體表展現的色彩。

用「光」代替顏料上色

物理結構形成的色彩，理論上能夠長期存在，能夠避免褪色的問題，人類也從中得到了不少科技靈感，試圖在工業產品上重現這般的顏色。

日本的纖維公司便參考了閃蝶翅膀的原理，研發出不使用化學染料，而是運用物理特性顯現色彩，名為「藍默纖維」（Morphotex）的環保材質。這樣的材質有什麼優點呢？構造色呈色的纖維不需要經過傳統的化學染色製程，能減少產生的廢料，亦減低了水資源與能源的消耗。

如果掌握了不會褪色的顏色技術，還有機會應用在太陽能板塗料、印刷、化妝品、鈔票防偽等方面，幫助解決許多技術問題。

昆蟲及各式動物與生俱來的外貌，有時比人類費力研發出的技術都要精巧得多，甚至可能悄悄改變人類的生活。人類應該善待並維護自然資源，這顯然是很重要的一項理由。

參考資料

1. What Gives the Morpho Butterfly Its Magnificent Blue?
2. Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R., and Wootton, R. J. (1999). Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proceedings: Biological Sciences, The Royal Society of London 266, 1403–1411.
3. Ragaei, M., H.S. Al-Kazafy, N.A.E. Farag, H.H. Elbehery, and A. Abd-El Rahman. (2017). Role of photonic crystals in cabbage white butterfly, Pieris rapae and queen butterfly, Danaus glippus coloration. Biosci. Res. 14: 542-547.
4. 王仁敏（2017）。蝶翼的絢麗幻色。蝶季刊 2017 卷 2 期：19 – 19。