台灣電子顯微鏡應用發展史

台灣電子顯微鏡應用發展史

很高興來參加115年度「顯微鏡學會」年會暨第44屆學術研討會。我有幸參加68年9月11-12日舉行的「第一屆學術研討會」，並主編論文集，愧為元老級人物。



今天承蒙理事長邀請來談談「台灣電子顯微鏡應用發展史」，本來題目中有「篳路藍縷」四字，我認為個人有幸，適逢其會，參與台灣電子顯微鏡應用最初發展，一路走來，談不上艱辛，所有直接談發展史，較為寫實。



我與電子顯微鏡結緣，是始於我到美國柏克萊加州大學唸物理研究所之時，當時主要的指導教授是材料系的Gareth Thomas 教授，是電子顯微鏡專家，並且擁有極為獨特的 650 keV 穿透式電鏡 (TEM)。我的博士研究論文題為 Theoretical and Experimental Analysis of Crstal Defects with Particular Emphasis to Silicon，主要分析工具即為TEM。



在博士研究告一段後，應聘到 UCLA 系擔任博士後研究員，從事核能材料輻射損傷研究，主要工作也是利用TEM 分析鎳合金材料中的缺陷，由於UCLA 研究支援條件不如 UC Berkeley，多了許多動手解決問題的機會，對回台後研究很有幫助。



我是在1977年，也就是四十九年前，加入清華材料系，當時材料系已擁有一部 100 KV，以此分析工具從事各種固態材料研究，比較容易上手，可以說是相當幸運。另一方面，系裡的 JEOL-100B TEM 配備的是從上置入的試片基座 (top entry specimen holder)，設計脆弱，很容易損壞，而必須送回日本原廠修理，發揮功能受到很大限制。幸好當時「中山科學院材發中心」有一部同型儀器，但試片基座為從旁置入式 (side entry specimen holder)，而主管對支援學術研究很是慷慨，幫助很大。



也許不是每個人都知道「顯微鏡學會」前身是「電子顯微鏡學會」，而之前更有「材料科學學會」於民國 1969年3 月17日成立「電子顯微鏡委員會」；該委員會任務之一就是推動成立「電子顯微鏡學會」；學會改成現在的名稱，是因應各式其他高功能顯微鏡，如掃描穿隧式顯微鏡、共軛焦顯微鏡等的興起。



「電子顯微鏡委員會」將瞭解目前國內電子顯微鏡使用情況列為起步工作之一，在民國 68年會同國科會進行「台灣區電子顯微鏡使用情況」調查，由我擔任小組召集人，約以半年期間，完成問卷與實地調查，並於1980年1月提出報告。在報告中指出「目前國內各公私學校機關已裝有各式電子顯微鏡五十餘部，而且此數目有快速增加之勢。但一般成效不彰，究其原因主要為：



(一) 受過適當訓練的研究及維護人員嚴重缺乏，

(二) 製造廠商及其代理商售後服務不理想，

(三) 一般研究環境不能配合；如研究人員不能專心工作，技術較精熟的技術員不得安其位。各位雖籌措鉅款購買昂貴儀器，但缺少常年維護預算等，」並提出改善建議。



　　其他尚有許多相關問題，主要癥結仍在人才短缺。延攬及訓練人才，乃為當務之急。



鑒於國內電鏡使用普遍缺乏專業人才，開設「電子顯微鏡訓練班」不失為近期有效改善辦法，於一九七八年暑期開設包括講課與實習兩週，每週六天研習。



由於實習需付儀器使用費等，故將研習費用定為一萬五千元，接近當時一位教授的月薪。結果反應極為熱烈，本來預定開設一班二十位學員的研習班，依報名情況連開三班，足見需求之殷切。學員中，不乏公私立大學教授，多為公私營企業的技術人員。



很讓人感動的是學員不畏第一週六天，每天六小時共三十六小時的密集課程以及第二週四十小時實習的辛苦，學習情緒高昂，與講師的互動也很多。雖然研習結束後，學員在問卷中對研習經驗很是肯定，但後續追蹤的結果則並非完全正面。真正的效果還要看工作單位是否能給學員足夠的空間發揮。



「電子顯微鏡學會」的成立與美國加州大學柏克萊分校湯瑪斯 (Gareth Thomas) 教授大力倡導有密切關係，他當時任行政院科技顧問組中「材料科學顧問小組」召集人，而他也是第一屆學術研討會大會主講人。



1978年 1月，行政院召開「第一次全國科學技術會議」。擬定《科學技術發展方案》，主要包括：建立能源、材料、資訊、生產自動化四大重點科技、設立新竹科學園區、大量扶植與延攬海內外學人、建立海內外科技顧問制度等。並依此，聘請湯瑪斯教授等為材料科技顧問，為台灣材料界注入了一劑強心針。前此，李政委也協助國科會發起大型電子計畫，支持台大、交大、清大、成大四校分別研究積體電路各階段的製造與應用技術，包括讓清大得以購置離子佈值機。



在1982年 2月行政院召開「第一次全國科學技術會議」中，主要決議有：科技經費由GNP的 0.6%提高到 1%。隨後，又訂定了《加強培育及延攬高級科技人才方案》，在培育國內人才方面：擴大博、碩士班招生名額；擴大教師出國進修名額；制定國防役條例，使科技碩、博士研究生畢業時得以科技工作代替兵役，報考軍方或民間重要科技單位服務六年（後來減至四年）。由李政委主導的種種措施，對台灣材料科技發展貢獻極大，也因此獲頒中國材料學學會最高榮譽「陸志鴻獎章」。



材料系所擁有的第二部 TEM 型號為200 KeV JEOL-200C。機緣正是政府推動包括材料科技在內的「四大重點科技」，有特別經費支援。材料系申請項目包括 TEM，但起先並不順利，主要是售價20萬美金 (時合台幣800萬) 是當年時空背景下的天價，幸好有機會當面向主管科技的李國鼎政務委員說明，獲得支持而於第二年順利購置，加上所購機型恰當，使用率得以大增，發揮了很大功能，成了材料系研究一大利器。



在《加強培育及延攬高級科技人才方案》指導下，教育部研擬加強培育材料科技人才。過程中首先聘任美國麻省理工學院教授柯亨 (Morris Cohen) 為顧問，訪視材料系所。柯亨教授於 1985年春季來台，由我全程陪同參訪當時已成立的台大、清華、成大、中山四所材料系所。柯亨教授很敏銳地指出，四個系所雖以材料為名，但教學研究都偏金屬材料，因此建議教育部支援各系所加強第二專長領域，如清華為電子材料，成大為陶瓷材料等，受到教育部的採納，施行「材料系所第二重點領域方案」，對台灣材料科技教育蓬勃發展有極大的貢獻。



中國材料學會為感謝柯亨教授對台灣材料科技發展的貢獻，由林垂宙理事長發起募款，捐贈給在 MIT 設置的「柯亨材料工程」講座基金，並於 1987年年會，邀請柯亨教授作主題演講，並舉辦「柯亨冶金技術研討會」。



材料系 TEM 更上層樓是購置了型號為 400 KeV JEOL-4000EX TEM，也是台灣第一部具有原子分辨功能的 TEM。這要拜教育部推動材料所系「第二專長」方案，協助各材料系拓展金屬材料以外的研究領域，當時也有別的學校在積極爭取，最後清大得以勝出，除了靠研究業績外，清大材料中心提供配合款的全力支持也是關鍵因素之一。



同時由於湯瑪斯教授的引介，日本大阪大學橋本初次郎 (Hatsujiro Hashimoto) 教授也成日後與學會互動密切的日本重量級學者與友人。



至於兩岸交流，我是於1991年橋本教授在日本岡山大學主辦「日中電子顯微鏡研討會」中結識當時「中國電子顯微鏡學會」理事長郭可信教授，從此開始赴大陸參加多次相關會議以及此後好幾次「海峽兩岸顯微鏡研討會」，目睹大陸顯微鏡研究從肇始到蓬勃發展，人才輩出。



民國88年至90年我擔任學會理事長期間，曾主辦「國際電子顯微鏡研習會」(International Workshop on Electron Microscopy)，邀請到英國牛津大學 David Cockayne教授、美國斯丹福大學 Robert Sinclair教授、喬治亞理工大學王中林教授、IBM研究中心 Francis Ross 博士、布魯克海汶國家試驗室 Yi-Ming Chu博士、北京中國科學院李方華院士以及橋本初次郎教授等頂尖學者為主講人，盛況空前。



再者是2004年參加在日本金澤舉行的「第八屆亞太電子顯微鏡研討會」，該會同時舉辦「慶祝橋本初次郎教授八十誕辰研討會」，在此特別場合世界電子顯微鏡領域先驅與巨擘雲集，尤其我在發表演講時段，談到最近在原子分辨疊差研究的成果，不僅1950年代以電鏡研究疊差的先驅英國劍橋大學 Archie Howie 與 Michael Whelan 教授以及疊差與原子分辨電鏡研究先驅橋本初次郎教授等在座，時段正是我本在清華教電鏡課應講到疊差分析時段，重重巧合，讓人覺得不可思議。



下一階段則是在2003年購置的200 KeV JEOL-2000V TEM，這是一部超高真空 TEM，除真空度高達 10-10 torr 範圍外，最主要配備有兩支電子槍，可臨場沉積金屬原子，同時可通電流以及加熱試片，最強大功能是可以從事原位原子層級動態觀察。這一類 TEM 當時全世界只有十部左右，原因之一是因為售價高達兩百萬美金之譜，當時是因為申請到教育部「追求卓越」項目下一個四年兩億六千萬元的計畫，因而得以訂購一部威力強大而珍稀的儀器；值得一提的是，這部研究利器確實發揮了強大功能，造就了許多傑出的研究成果，包括2008年在頂尖期刊「科學」中出版的一篇文章的成果。



再次就是在2011年購置的場發射掃描穿透式球差修正電子顯微鏡(型號: 200 KeV JEM-ARM200FTH)，這部 超高解像率 (ultra-high resolution) UHR-TEM 特色是配備了球面像差校正器 (spherical aberration corrector)，因而解像率可達 0.08 nm，是頂級的原子分辨顯微鏡，當初購置時，因歐元貶值，歐洲廠商 FEI報價極具競爭力，最後日商JEOL 以加碼免費負責裝修要求極高的防震、防磁設施而得標；同時因為在材料系所有場館中，只有合金鋼廠一隅之地才符合防磁要求，所以有點不搭調的設立於合金鋼廠中。在此也可順便一提的是，由於這部UHR-TEM 發揮的功能，助成了清華於2012年在頂尖期刊「科學」中出版的一篇論文成果。





JEM-ARM200FTH TEM





頂級的原子分辨能力



從材料系擁有 TEM 的一連串變遷，我最大的感想是充滿感激，可謂因時際會，有機會無役不與，而且有豐厚的回報，事實上在每一階段，要感謝的人都很多，限於時間，無法一一感謝，在此一併致謝。