2016田家炳光電講座-從 plasmonics 談科學發展

2016田家炳光電講座-從   plasmonics 談科學發展

今天很榮幸來參加田家炳光電週盛會，當初孫教授邀請我來給演講時，希望我能與大學部以及研究同學，分享人生中重要的經驗或是學術之路的心得，讓同學們對未來有更多的思考空間。因此我今天的演講也循此方向進行。

今天所以選「從   plasmonics 談科學發展」為題，是因為近年來不經意地發現所從事的研究常與   plasmonics  (等離子光學)有關，而   plasmonics正是光電領域目前熱門題目，同時我這幾十年來的工作也一直科學發展有關。

Plasmonics是近年才發展的領域，事實上，plasmonics之名，也是近十幾年才有的。在資訊時代，電子元件尺寸越來越小，但由於電子移動速度較慢，其操作速度受到限制﹔另一方面，光速度很快，光子元件如光纖傳輸速度高，但受光波波長所限，尺寸居高不下，plasmonics結合電子元件尺寸小、光子元件速度快的優點，有潛力將資通訊科技推向另一高峰。

我與plasmonics的淵源，可溯及上大學的時候，在固態物理學課程中，學到plasmon一詞﹔plasma意思是等離子系統，在金屬中，有相同電荷數的原子核和自由電子，經激發而引起的集體運動 (collective motion)，波動經量子化後稱為等離子或電漿子，當時印象並不深刻﹔後來到美國讀博士班時從事電子顯微鏡相關研究，在同一個實驗室中，有一位台大電機系畢業的學長，博士論文主題是發展量測在電子顯微鏡以電子照射材料，因激發plasmon而喪失的能量的技術，也就是現今習知的電子能量喪失能譜 (electron energy loss spectroscopy，EELS) 技術之先聲。在此又牽涉到我的研究生涯最常用的分析工具，電子顯微鏡，而電子顯微鏡的核心技術，電磁透鏡，是電子光學的代表作﹔同樣在我大學時代，僅在電子學課本中，看到以約半頁篇幅對電鏡之描述，所以當年初到美國時，對   plasmonics與電鏡可謂都沒有甚麼概念，但這兩領域都與我後來研究息息相關﹔因此我今天要給大家的第一個經驗談是﹕「未來常是你現在無法想像的。」正如文學大家George Eliot說﹕”Among all mistakes, prophecy is the most gratuitous.” (在我們所犯的錯誤中，預言是最無稽的。) 這裡我並無意鼓吹「船到橋頭自然直」，而是未來既不可知，不如集中精神，把目前的工作做好。

電鏡的發展可追溯到1930年代，到我在1970年代初期，開始從事利用電鏡分析材料研究時，已相當成熟﹔由於在台灣讀大學物理系的時候，迫於實驗設備的老舊與匱乏，同學們幾乎都是以從事「理論物理」研究為標的，到美國後，發現作「理論物理」研究可謂與前途黯淡劃等號，有意轉作實驗時，剛好與在材料系專長電鏡的指導老師「一拍即合」，從此進入一個陌生的領域﹔幸運的是，這也成了我一輩子受益無窮的領域，電鏡則成了我在研究界安生立命的工具。如果現在看台大物理系前後十幾年「一代菁英」後來的成就，我的第二個經驗談是﹕「選擇領域很重要，保持彈性為上策。」

對於缺乏實驗經驗以及做好實驗必須要具有的細心與耐心磨練的研究新兵，初期難免會有一陣艱困期，尤其在當年，儀器全靠手動操作，事後又要細心清理因實驗污染的零件、重新啟動歸零、沖洗底片，如在比較容易爭取到的夜間時段作實驗，回到住處時，常常已是東方既白時刻，幸好當時有足夠的體力與毅力，順利的完成博士研究。

在研究所階段，對我未來也產生重大影響的是，立意未來要往大學教書方向發展。由於當年台灣大學師資物理系很貧乏，讀書幾乎全靠自習，相當辛苦，在美國則碰到不少好教授，上課能把握重點，清楚地闡述觀念，猶如畫龍點睛，修起課來，輕鬆不少，被視為天書的教科書變得不是那麼困難，習題解起來也大都「得心應手」，深深感受到一位好教授的價值，也成為我憧憬的工作。如今我將屆退休之年，回首過去四十年，幾乎沒有離開過大學，生活過得充實而有意義，對於自己能及早發現自己真正志趣所在，深感幸運。

要往學術界發展，一般須經過博士後研究員 (postdoctor) 階段﹔我在將完成博士論文研究時，獲得了一個到UCLA 材料系做  postdoctor 的機會﹔當時我剛開始求職，指導教授有位在UCLA 材料系擔任教授的朋友，正有一個   postdoctor空缺，一試之下，對方反應極快，所以我也很快的接受了，後來   UC Berkeley 材料系另一位老師也提供了一個隨他做   postdoctor 的機會，很有吸引力﹔最後主要基於「重信然諾」的古訓，還是去了UCLA，這項決定，同樣引發了日後各種際遇的連鎖反應，影響很大。

以當年UCLA 和   UC Berkeley的環境比較，UC Berkeley 在各方面要略勝一籌﹔尤其在設備與人力上，由於我是研究小組中唯一的   postdoctor，而所從事的核能材料輻射損傷研究，主要設備需要自己設計、組裝、測試、維修，費時而辛苦，同時所使用的電鏡也比較老舊，但也訓練出一身功夫，這對後來回台灣任教，同樣面對儀器設備較為落後的環境，有莫大的幫助，所謂「塞翁失馬，焉知非福」、「功不唐捐。」

對1970年代留美學生而言，畢業後都面臨回國或留美就業的抉擇，我則因私人的因素，在比較沒有掙扎的情況下選擇回國﹔這樣的選擇在當時是很多人很難理解的﹔如果從現在來看，我選擇到UCLA工作，再隨緣返台，這幾十年來，事業生活大體順利美滿，夫復何求? 應是相當正確的抉擇，所以我要分享的第三個經驗是﹕「未來既未可知，選擇最主要把握的原則是讓自己心安理得。」

返國後到清華任教，在選擇研究題目時，除考量本身專長外，大致遵循兩個原則，一是因地制宜，另一是因時制宜，當時國科會配合政府發展半導體產業政策，正推行「大型電子計畫」，在該計畫項目下，清華得以購置一台離子佈植機，也就是一台可以產生高能量三、五價摻雜離子的加速器，半導體離子佈植研究與核能材料輻射損傷研究方向與方法上甚為相似，主要分別探討產生於不同材料中缺陷以及尋求消除或減緩破壞效應的方式。剛好清大材料系已有一台適用的穿透式電鏡，再添置簡單的熱處理與製備試片設備，也就具備我在UCLA相似的實驗條件，研究也就可以開始上路了﹔幸運的是，在往後幾年，也做出不錯的研究成果。 

在返國三年後，我有機會到美國康乃爾 (Cornell)大學材料系由Jim Mayer教授主持的研究室做一年研究，Jim Mayer教授是半導體離子佈植與金屬接觸先驅與巨擘，也引導我進入半導體金屬接觸研究，由於當時研究分析方法主要是用X光繞射以及   Rutherford 背向散射法，有所不足，正好與我擅長的電鏡分析互補，利用電鏡分析半導體與金屬接觸界面反應，當時並不多見，因此很有利基，另一方面，由於半導體元件技術遵循摩爾定律，突飛猛進，元件尺寸不斷縮小，每個世代常須面對不同的金屬接觸問題，連帶著也影響了我未來約二十年的主要研究取向。

台灣在1980年代初期，研究能量還相當薄弱，這可反映在發表於一流期刊「應用物理快訊」(Applied Physics Letters) 的論文數目上，譬如說 1984年全台僅兩篇，1984-1988 五年間全台亦僅四十篇，即平均每年八篇，相對於2007年有近四百篇論文的情況，有很大的差別。做研究，當然希望「出人頭地」，在台灣當時大環境下，要具有競爭力，需要運用策略，充分利用利基，我的思考方向是針對重要而具備研究條件的問題，做廣泛而深入的探討，而半導體金屬接觸研究是很恰當的課題，如充分利用台灣國科會長期支持、清華大學豐沛優秀的人力，再加上在1980年代末期，有機會購置原子分辨電鏡以及超高真空雙電子蒸鍍機，更如虎添翼，在研究上，漸趨領先，而台灣半導體產業在世界上漸具舉足輕重的地位，也更有助相關研究受到舉世注目，有好幾位美國教授曾對我表示，他們無法在此領域與我的團隊競爭，而也有多位日本教授則曾表達欣羨之情。

到了本世紀初期，在研究上出現了一個新的轉折點，也就是隨著奈米科技研究的風行，研究者會面臨是否離開舒適圈 (comfort zone)，積極投入新領域的抉擇，在受到一位前輩提點研究未來性的重要一席話影響後，決定一試，導致奈米材料與元件成為我近十幾年研究的主要方向。觀諸這段期間，有十幾位我所指導的博士生，部分原因是由於具有此領域專長，得以為國內外優良大學延攬任教，應是一正確的抉擇，

這期間，我曾有機會主持教育部補助一長達五年的「追求卓越」計畫，題目是「原子尺度臨場動力學研究」，也因此有經費購買一部「超高真空臨場蒸鍍與加熱電鏡」以及「掃描穿隧式電鏡」，這兩項利器，在幫助我們的研究更上層樓，貢獻很大，協同出了很多傑出論文，特別是在2008年，以「直接觀測含雙晶銅膜中原子擴散」為題的論文，為頂尖的「科學」期刊接受刊載。這裡值得一提的是，從事奈米材料研究，在某種程度上來說，也同時將我們先前金屬接觸研究發揚光大，只不過是轉為專注於微奈米結構金屬接觸界面反應。由於以往累積的經驗，也較容易切入與發揮。

在研究上另一亮點則是在2011年底參與「奈米雷射」研究，說來有相當巧合，當時清大材料系原子分辨電鏡正汰舊換新，升級為「球面像差校正原子分辨電鏡」，而我指導的博士畢業生，本在國科會「千里馬」計畫項下在美國擔任博後研究員，因故提前返國，因而共同參與了物理系果尚志教授主持的研究，協助製作了當時世界最小的雷射，成果論文發表於次年出版的「科學」期刊中。

「球面像差校正原子分辨電鏡」與「奈米雷射」的發展，都代表科學的典範轉移 (paradigm shift) ，電鏡中電磁透鏡球面像差校正，長久以來，被認為不可能，雷射也被認為受光波波長限制，尺寸無法進一步縮小，如今都成迷思，所以科學研究應儘量避免斷然說﹕「不可能。」(Never say never.) 以往認為不可能，如化為可能，正是科學研究最珍貴的突破。

回到 plasmonics，奈米雷射正是因為 plasmonics的發展而成為可能。plasmonics (等離子體光學) 可以定義為探討非常小 (次波長) 區域電磁場現象與其應用的學問﹔推究其成為今日顯學原因，與近年奈米科技發展有很密切關係，包括奈米製程、鑑定技術、計算與模擬能力之突飛猛進，也由於其創新性，同時也與其「小規模科學」，也就是不需要太多資源但可得到新奇有趣成果之特性有關﹔另一方面，其應用潛力無窮。

在我近年研究中，與plasmonics有關的，首先是金奈米粒子陣列的合成，研究過程中，每每得到「意外」的結果，而「意外」正是創新的開始。其後也利用等離子增益 (plasmonic enhancement)原理，製作出奈米光偵測器、奈米金陣列天線、太陽能電池、燃料電池、光催化效應的應用等。這豈是當年對plasmon一詞建立粗淺印象時所能想像 (You never know.)。這也是科學特別的地方，在接觸一個概念幾十年後，推陳出新，創造新知識。

由於我目前忝任國家同步輻射中心董事長，最後我要一提國內光電科技最令人興奮的發展，也就是台灣光子源的落成，台灣光子源也就是同步輻射光子源﹔是由台灣本身團隊與技術建造的最大型與先進科學儀器，在去年年底，產生光束電流已達到最佳的   520mA，預計於今年九月啟用，光束電流品質將領先全球兩年以上，一方面是台灣之光，另一方面也是光電研究難得的契機，歡迎大家多家把握利用。

今天我與大家分享以個人與光電科技發展交會的經驗，最重要的有幾點領悟總結於下:

一、未來既不可知 (You never know.)，不如集中精神，把目前的工作做好。

二、選擇領域很重要，保持彈性為上策。

三、及早確定志趣所在。

四、面對重要抉擇時，最主要把握的原則是讓自己心安理得。

五、功不唐捐。

六、研究方向應考慮環境、資源、能力、興趣，針對重要而具備研究條件的問題，做廣泛而深入的探討。

七、解問題有適當工具 (專業與資源) 很重要。

八、掌握並充分發揮利基﹕國科會長期支持、清華大學豐沛優秀的人力，台灣半導體產業在世界上漸具舉足輕重的地位。

九、科學研究較儘量避免斷然說﹕「不可能。」(Never say never.) 以往認為不可能，如化為可能，正是科學研究最珍貴的突破，也是科學美妙的地方。

十、研究可貴的特質﹕Curious (好奇，喜歡新奇) ，versatile  (多面相能力，不受侷限) 、agile  (敏捷，隨時而進)、persistent  (持久性)、forward-looking  (前瞻性)、cooperative  (善於合作)。

十一、健康的身體、和樂的家庭、知恩惜福的心態是事業順利的基礎。

由於時間限制，我所做的結語，部分或在演講中有所遺漏，或言有未盡，諸君如有興趣，容許讓我有機會在接下來的問答時間加以補充。