科学家大作“表面文章” [复制链接]

    【台湾《中国时报》８月１９日文章】题：探究“原子运动模式”追求“更小、更更小”的境界——中研院表面功夫蜚声国际（作者杨维敏）
    一个原子有多大？比较正确的问法应该是有多“小”。虽然不同元素的原子大小也不同，但根据物理学家的计算，平均而言，一个原子的半径大约是一亿分之一厘米！这种尺寸令人很难想象它究竟有多小。不过，在物理学广大的研究领域中，“表面物理”却专门研究这些小到无法想象的对象在物质表面的运动方式。
    早在５０年代物理学家发明原子弹的时候，就已经知道极小的原子中蕴含极大的能量。而进行表面物理研究的科学家虽然以原子在表面的排列及运动方式为主要研究内容，但他们的目的却不含军事用途。表面物理学家研究原子行为模式的最终目的是希望藉此深入了解物质的特性，更进一步提升人类的工业科技文明，使电子、材料科技及以这些科技发展、制造出来的无数工业产品更可靠，更好用，更节省能源。
    原子运动模式是最近１０年才逐渐得到具体研究成绩的学科，也是一门只有少数研究单位的研究成绩被国际科学界认可的研究领域。中央研究院物理研究所所长郑天佐院士正是这个领域中的佼佼者之一，他对表面物理学家为什么要致力于研究微小原子在物质表面上的排列及运动方式有一番说明。探索“小”世界前景无限大
    “现代工业科技的趋势是：小、更小、更更小”。郑天佐说，不论是电子、半导体、机械以及生物科技，其研究对象的尺寸都到了以ｎａｎｏ（意指十亿分之一，纳秒为十亿分之一秒、纳米为十亿分之一米）为单位的地步。人类探究这么小的世界，大部分原因是我们的需求变得几乎是无限大，最明显的就是电脑储存容量以及其运算速度的急骤发展。
    例如，国际半导体厂商对硅芯片未来的储存容量要求是每平方英寸可以储存十的十五次方位的资料，相当于一整个图书馆的资料存量，又希望电脑转送一个比特的时间由十亿分之一秒降低到一千亿分之一秒，同时又希望电脑能更省电。
    如果要电脑储存更多、运算更快、消耗更少的能源，郑天佐说，那么我们对半导体材料的物理性质要有更多、更细微的了解，才可以制造出理想的电子材料。目前的硅芯片其实是将一层薄薄的半导体材料以蒸发、溅镀的方式，附着在一片化学材料基板上，以原子的眼光来看，这层材料大约是有一千层原子的厚度，已经相当薄了。不过，为了达到“更更小”的目标，表面物理科学家目前研究的是单原子运动方式及只有两三层原子厚度的薄膜的生长方式。
    郑天佐解释，如果要再提升电脑的储存及运算功能，那么就需要制造更平坦、均匀的半导体薄膜，以提供更良好的材料做为电脑储存、传送资料的基本环境。在蒸发、溅镀的过程，如果能一层、一层地堆叠半导体材料的原子，就能制造出这种平坦而均匀的半导体薄膜。“表面功夫”大有学问
    那么，科学家要如何将一千层厚的原子减少到个位数原子的厚度呢？除非科学家先了解半导体物质表面几层的原子基本的生长方式、哪一种材料可以长平坦等基本问题，否则工程师很难据以设计和制造这么薄的薄膜。而这些问题就要靠表面物理科学来解谜了。
    郑天佐说，他常被人打趣在专门研究“表面功夫”。不过，他的“表面功夫”可是大有学问，而且蜚声国际。因为，他研究并发现新的原子运动模式，对了解原子行为有很大的帮助。
    过去表面物理对原子运动模式的了解是，原子只会在同一个平面移动，但郑天佐与学生的研究发现，不同层的原子也会相互影响，有时候上层原子会向下挤压，把下层原子推上来，然后自己由上层跳下去，填补下层原子上升后的空位。
    另一个发现是，原本认为一个原子移动到平面的边缘时，会因为本身的性质而反弹回来，但物理所的团队发现在平面边缘的原子有时会自己跳到上一层；甚至平面中间的原子也会自动的“升级”，跳到上一层平面。
    郑天佐说，由于平面大小不同，因此形成“原子台阶”。这些在原子台阶跳上跳下的原子，影响半导体薄膜生长方式，这也就是为什么目前的半导体薄膜还不够平坦、均匀的原因：工程师还不知道如何控制蒸发、溅镀半导体材料的环境，以避免原子不规矩的跳动形成的粗糙表面。
    而且，跳动的原子对硅芯片上储存的资料、传送资料的电子都会产生不良影响，电脑死机、运算出错、资料流失等问题，都有可能因此出现。