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扫描穿隧式显微镜仪器架构

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扫描穿隧式显微镜为何可以利用探针与样品间的距离来显示样品表面影像，已在本站的文章–“扫描穿隧式显微镜原理”中说明，在此将对实际仪器架构的内容加以解说。扫描穿隧式显微镜架构的示意图如下：

扫描穿隧式显微镜的组成部分可细分成以下几个部分：

1. 扫描头：是控制探针移动的中枢，使用压电材料制成，可让探针以小于 1埃 的精确度移动。为了能控制探针做二维平面的扫描，并随扫描模式调整探针及样品间距，通常会在压电陶瓷管上镀层金属，将压电管外壁均分四极以做 x+ 、 x- 、 y+ 、 y- 方向的扫描，而内壁则是做 z 方向的调变。藉由施加偏压以改变陶瓷管的长度、厚度，而让探针移动进行扫描，一般扫描范围都可达几个 μm 。

2. 探针：自制的探针一般都是用 0.5 mm 的钨丝，于 KOH 或 NaOH 溶液中，以电化学的方法，蚀刻出直径约几百埃的针尖。若欲扫描出高解析度的影像，通常会在扫描前先对探针施加瞬时的强电场，以改变针尖结构。

3. 步进器：由理论得知，若要取得穿隧电流值，需让探针与样品的间距约在数埃之间才能发生，这样的距离无法用肉眼与双手控制达到；一般以电脑控制步进器，以达到可以探测穿隧电流的距离。因此步进器须具有步距约 1000埃 的功能，且具有几千赫兹的步进频率，以节省步进时间。依驱动的方式可分为齿轮式、尺蠖式及滑动式等。

4. 前置放大器：由原理可知，探测到的穿隧电流很小，若要作为回馈讯号，必须先将其放大，故都会加装一低杂讯操作型放大器。

5. 电子及控制系统：该部分含回馈电路及电脑介面。回馈电路主要是当接收到穿隧电流值后，可以依设定的扫描模式，驱动接在扫描头上之 z 轴电压源，以控制扫描过程中探针与样品的间距。电脑介面则是以多个数位／类比及类比／数位转换器组合而成，并连通电脑，以利操作者控制、调整扫描装置和扫描流程。

6. 电脑：电脑为操作者主要接触的部分。其在扫描流程中的功能包含执行控制、调整、即时显像等；而在显像后还有影像储存、修改模式、分析、处理等功能。
另外，因为扫描穿隧式显微镜很敏感也易受干扰，所以需要避震装置架起整座仪器，以屏蔽不同频率的震动，使电子穿隧间距稳定，扫描影像才会清晰。常用的避震材料为金属弹簧或橡皮垫，并配合阻滞装置来使用。

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讨论扫描穿隧式显微镜的设计原理

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扫描穿隧式显微镜原理
扫描穿隧式显微镜是利用量子穿隧效应探测晶体表面原子结构的仪器。此文进一步讨论扫描穿隧式显微镜的设计原理。

其主要利用的物理原理是量子穿隧效应，这是一种运用在原子世界的量子特性，无法以古典观点加以解释。古典力学中，波动与粒子为不同的类别，一般物质属粒子，其运动须遵守牛顿运动定律；若将一物体丢向一面硬墙，该物体绝不可能穿墙而过。然而在原子世界中，物质具有波动和粒子的特性，即波粒二象性，运动模式须遵守异于古典的量子力学；因具有波动的性质，当很多电子撞击一层很薄的障碍物时，电子有不为零的机率穿过电位障壁，并产生穿隧电流。穿隧电流与障碍物厚度成指数函数递减，大约当厚度增加一埃，穿隧电流会衰减为原来的十分之一，可见穿隧电流对障壁厚度非常敏感；利用此特性即可建构一台具原子解析度的显微镜。

若探针尖端够尖，并和样品维持在能产生穿隧电流的距离之内，此时只要在探针与样品间施加一电场，即可诱发电子穿越电位障壁产生穿隧电流。利用穿隧电流随该距离灵敏的改变，让探针在样品表面上来回扫描，对应记录各点高度值，即能构成样品表面的二维图像。常见的取图法分为两种：

1.定电流取像法：如图一，在扫描过程中固定穿隧电流值，即锁定探针和样品表面间的距离。因此探针必须随样品起伏调整高度，记录调整的高度可绘出样品表面影像。此模式可以容忍扫描高低变化较大的样品，但因调整高度使扫描速率缓慢，较易受低频杂讯的干扰。

2.定高度取像法：如图二，在扫描过程中固定探针高度，因此探针和样品表面间距会随样品高低起伏改变，同时改变穿隧电流值。直接记录穿隧电流值，并利用电流值和该距离的关系式，即可绘出样品表面影像。此模式可作快速扫描，但若扫描样品的表面起伏过大，易造成探针损坏。

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欧杰电子的原理及分析

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“欧杰电子”的产生现象，最先是由法国人Pierr Auger于1924年所发现，故以欧杰电子为名。欧杰电子能谱术，是利用一电子束聚焦成微米大小打在样品表面上，使该样品表面原子产生欧杰电子，藉由半球形能量分析仪捕捉分析欧杰电子的特征动能，即可研判表面元素成分及其化学态。此外，欧杰电子的产生涉及三个电子轨域，因此有很好的监别特性，因而使欧杰电子能谱术成为表面分析的利器。
欧杰电子的原理及分析

图一：欧杰电子的产生机制如图1所示，图中所示为一个原子内层电子的能阶，我们利用光子能谱的能阶符号，分别以 K、L、M 等来表示不同的能阶。

当原子的内层轨域中有电子受到一动能大于内层电子束缚能的入射电子而激发游离时，在内层轨域便产生了一个空洞。为了降低此原子激发态的系统能量，此空洞会由较高能阶的电子来递补，在递补的过程中会释放出能量。若此释放之能量被外层的电子所吸收，且若此能量大于外层电子的束缚能时，外层的电子则可获得一动能而游离成为自由态，此自由态的电子便称为欧杰电子。因此，欧杰电子的能量涉及了三个电子轨域，因此每种元素的欧杰电子特性能量皆不同。在图1中， K 能阶上的一个电子已被入射电子游离了， L1 能阶的电子填充 K 层的空洞，多余的能量使另一 L2 能阶的电子被游离释出，称为 KL1L2 欧杰跃迁。由于整个欧杰电子产生过程中， L1能阶的电子填充 K层的空洞乃是受库仑作用力影响，并不会放出光子，因此整个跃迁不受到选取法则的影响。

欧杰电子能量为 EAuger = EK－EL1－EL2，3－φ ，明显和入射电子能量无关，φ为材料之功函数。由于牵扯到元素中电子壳层的三个轨域能量差，所以能发射欧杰电子最轻的原子是Be，因为H和He及单个Li原子因为其电子数皆少于三，所以无法产生欧杰电子。

欧杰电子的探测深度因电子的散射截面及自由程，有效讯息只约 10埃 左右，若配合扫瞄式电子显微镜系统，可得知元素的三度空间分布情形；配合离子枪则可做深度分析的工作。

一般而言欧杰电子能谱多以微分形式来读取，微分能谱乃是将电子讯号强度对电子动能微分所得之能谱，能谱图扫出来的峰值底下面积恰为具有该特征能量的欧杰电子数，我们计算面积的方式是考虑它的峰宽，中心点重置于原点之后利用高斯函数来近似此峰。实验中所使用微分后的讯号强度即是以微分之后的能谱图（图2）中一段特征能量最高峰与最低峰的差值，来表示该特征能量的电子数，间接代表对应元素的含量。微分能谱还有另一个优点：除去背景杂讯，使特征能量峰值较为明显，如此若材料表面有即微量的氧或碳，仍然可以量测得出来。

图二
此外要分辨所量测到电子能谱的讯号峰，是欧杰电子亦或是吸收电子束能量而被激发的核心电子所贡献，仅需要将入射电子束的能量改变即可确定，如为欧杰电子讯号峰，则不会随着电子束能量改变而有所漂移。

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穿隧效应的应用-扫描穿隧显微镜

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1924年“德布罗依”提出“物质波”的概念，并于1927年“戴维森”及革末以54eV之电子束垂直撞击镍晶体表面，得到如同光波的干涉与绕射现象，证实电子波动性，并荣获1937年诺贝尔物理奖。现今都将这些物质波称为“德布罗依波”，德布罗依波给予物质与光的双重性，建立波动力学的理论基础。因为粒子具有波动性，如电子等微小粒子有机会穿过本来不可能通过的能量障碍，称为：“穿隧效应”。穿隧的的机率和距离有关；距离越小，穿隧的机率越大。

扫描穿隧显微镜：是一种利用量子力学中穿隧效应探测物质表面结构的仪器，1982年由“宾尼”和“罗雷尔”所发明，并以此荣获1986年诺贝尔物理奖。其主要是利用一根非常细的钨或铂铱合金为探针，而针尖在物体表面扫描时，针尖通入高压电针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，依此来观测物体表面的形貌。（图一、二）

图一：扫描穿隧显微镜示意图

图二：扫描穿隧显微镜下的石墨

由于样品和探针距离极小，只有数奈米，探针针尖原子的波函数和样品表面原子的波函数重叠，当探针和样品间有电压存在，两者间便会产生穿隧电流。穿隧电流对针尖的与样品的距离非常敏感，成数量级变化，即对垂直方向的解析度极佳；至于横向的解析度则受限于探针针尖的大小。是以扫描穿隧显微镜的解析度为奈米级，其可克服普通光学显微镜之光波绕射影响，得以辨别远小于可见光波波长的物体。

1990年IBM科学家在绝对温度4度下，利用穿隧电流增加时，针尖将能推动物体表面的原子的技术，将37个氙原子制造出世界上最小字的“IBM”（图三）；而2000年英国牛津大学物理学家John B. Pethica 与同事，在室温下使用扫描式电子穿隧显微镜.，以快速震动针尖达数个原子宽度，再以一系列的撞击移动个别的原子到预定的位置上，且发现这效应与针尖高度无关只与穿遂电流大小有关，推测此原子是因电流加热而移动，此成果将对奈米技术带来重要的进展。

图三
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科学看见了真实世界？

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科学看见了真实世界？
近代科学萌芽的十七世纪，虎克利用显微镜观察自然世界，就已意识到其中人为因素的失真影响，而近代科学的大量仰赖电子观测仪器，更使我们距离现实世界愈来愈遥远。

图一：眼见为信

一六六五年元月，派比与妓女厮混一下午后，与英国皇家学会会长共进晚餐。回家途中，他到书店预订了虎克最新的关于显微镜的着作；几个星期后，派比带着书回家，花了大半夜阅读《微物图解》，后来他在日记中写道，“这是我毕生所见最有创见的书”。派比原已有一架显微镜，但从未见过这样子的图像，他和其他读者都深深受虎克描绘的精细图像所震撼，虎克改造市售的显微镜，呈现出昆虫、矿物、植物、羽毛的细节。十七世纪的人们头一次能有机会，观察日常生活种种微小又熟悉事物的样貌，如跳蚤、起司上的霉、尿液结晶颗粒、虱子、荨麻刺等。虎克在附随图像的文字中，向读者形容，“虱子看来如此骄傲高昂，彷佛害怕无法击败强手，却有如一个无所畏的君王”。

虎克原本是在当时成立不久的伦敦皇家学会周会里，发表他的观察内容与报告。成员纷纷鼓励他将描绘作品出版，向外界宣传他们研究世界的新方法，当时学会以培根为名义领袖。培根于一六二一年因贪污罪嫌，失去大法官的职位，政治生涯告终，他反能全心投入哲学领域。他反对亚里斯多德的理论基础，主张唯有透过观察与实验，才是认识上帝所创造世界的最佳方式。

图二：虎克显微镜

培根在着述中强调，在《圣经》解释下，人类是视野有限的堕落生物，眼前所见受想像所蒙蔽。为克服人类本质上的弱点，虎克发明能提升听觉、嗅觉及视觉等感官能力的工具。《微物图解》也是为了证明，上帝创造万物之美，只有透过超然客观的观察才能品味。虎克认为研究者透过显微镜观察，只需将自然面貌直接绘于纸上即可，“以真挚之手、忠实之眼检视及记录所见事物”；为支持培根对《圣经》里人类缺陷论的看法，《微物图解》第一版即呈现出人造物品的缺陷，在显微镜下，磨过的剃刀满是缺口、针尖变钝，连晕开的句点轮廓都可看得一清二楚。

眼见为信
但实际上虎克发现，“真挚之手、忠实之眼”并不足以捕捉自然面貌，因为显微镜像常含糊不清，仍得仰赖个人专业与个人诠释。虎克提到，“蝇眼在某些光线下像是格子窗，充满着无数小洞；在阳光下如同满布金钉的表面，另种角度下又像满是金字塔的表面，有时候却又像圆锥”，观察者需要工具，但也要具备评断何为正确答案的技能。虎克意识到，当他想在纸上重现画面时，会出现其他问题。《微物图解》读者所见并非原始标本，中间经过虎克及画师两层媒介，虎克也指控画师成品有误；且虎克的画作皆为黑白，多数散布在整张纸上，而不像他在目镜视野中所见，缤纷多彩的显微世界。理论上只要科技进步，虎克与阅读他着作的读者或许就能更清楚看到事物。但是由虎克到现代显微镜学家之间的历史，并不是平顺进展的。

虎克之后十八世纪的研究者，都着迷于完美画面，故常未忠实记录自然标本，而用想像力修饰美化观察所见的事实，例如有只蚂蚁在显微镜下，看出少了一条腿或头部发育不全，但绘图者会依据过去所见的蚂蚁形象，画出一只理想蚂蚁的样貌，彷佛要捕捉蚂蚁的本质。这种态度与当时解剖学家心态相仿，解剖学家绘制女性骨骼时，基于怀孕功能，故将骨盆画得较宽，男性骨骼图里的头骨也较大。约莫到了十九世纪中期，生物学研究风潮转向，主张“让自然呈现原貌”，科学家开始坚持观察个别标本时，无论有各种缺陷都得如实记录。靠着新型显微显镜大幅精进的准确性，科学家希望压低个人主观判断。

不过就和虎克在两百年前遇到的情况一样，研究者不可能完全排除人为因素，反而随着设备日益复杂，科学家斧凿的痕迹更深。由于镜头功能更加强大，每次能看到的部分更有限，代表需要更多专业技术来辨别影像，并且相信这能够呈现真实；标本也得仔细准备、安嵌与染色。正如虎克必须考量蝇眼需如何打光，后代显微镜学家也得确保明暗处并非人工造成。
信心的篇章

今日显微镜日益精密，但是否让人更能窥探自然的真实面貌？
摄影技术于十九世纪初出现，让人们认为可消灭人为错误与主观诠释，摄影师塔伯特所出版的《自然画笔》即为一例。物理学家法拉第很早便主张在科学界使用摄影技术，他表示，“摄影所呈现的影像是画笔望其项背的，当自然成为人类摄影的对象后，人类的潜力难以预言”。可是对摄影技术的兴奋，初期未在显微镜学带来太多成果。此后数十年，生物学家都不愿将相机带进实验室，来彰显标本，反而是科学家走进摄影棚，让自己成为宣传照的主角。这种现象或许令人惊讶，但当时科学家很坚持要在社会上建立声望。纵然相机出现在实验室之后，学界仍在争辩使用相机做客观记录的优缺点。许多科学家认为，若民众相信在相片中灵魂会起死回生，就很难靠这种科技来呈现显微世界的真实面貌。曝光时间过长也难以捕捉移动物体，再加上镜头不完美、液状喷溅、缺乏颜色等因素，均为摄影结果带来不确定因素；另冲洗过程中常需缩放相纸，也无法正确测量标本大小。

冲印限制代表照片需先经手工，才能大量印刷，故又开启人为操纵的空间。技术人员可以在照片模糊的细节里，特别强化关键的特点，那么到底使照片变清楚和扭曲真实的分野何在？至二十世纪初，机器重现显微影像终于击败手绘，德国专家克里斯特于一九二七年重要的疾病图监中指出，若显微镜学家确实需要绘图，也该将任务交给未经训练的技师，即可达到最近似机器的效果。机械化带动进步，显微镜也日渐精密，揭露出过去仰赖推测的自然世界面貌。

图三：微物图解书中的跳蚤图
若见到今日电子显微镜下的三度空间影像，捕捉昆虫甲壳最细致的条纹，虎克必然感到震惊，但他希望消灭人为左右的梦想依然难实现。电子显微镜学先驱佛瑟特强调，科技进步源于人们喜爱无法忠实表现的秩序。一九六○年代中期佛瑟特在他撰写的《一个信心的篇章》中指出，“人类相信明确、清晰、美好的照片中，真实性高于粗劣、混乱与模糊的成品”，就算是科学家，对画面清晰的需求也是有所偏好的。非光学显微镜愈来愈深入过去不可见的世界之时，人们却距离现实愈来愈遥远。今日显微功能如此复杂，需要将电子讯号转换为人工色彩的视觉画面。若培根看到电子显微镜下的病毒画面，他可能也会大大反对，指控科学受到“部落崇拜”危害，运用“魔镜”使人心智受制，出现认知的误谬。

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X-光绕射与布拉格定律

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X-光绕射与布拉格定律
X-光绕射是最常见用来决定固体晶体结构的工具，简称为XRD（图一）。绕射发生于当光束被一规则排列点或线的散射，散射后的同相光产生建 设性干涉，相异相光产生破坏性干涉。如果使用单一波长的X-光来照射晶体，可以观察到一特殊图形(pattern)，呈现规则排列亮点（图二）或亮暗线条 交错（图三）。

图解：图一、XRD示意图（上）与真实仪器（下）

图解：图二、奈米氧化锌棒的电子穿隧显微镜影像（左）和XRD图形(右)

图解：图三、二维XRD图形

亮暗线的位置和晶体结构有关， 1913年，威廉？劳伦斯？布拉格与威廉？亨利？布拉格两人，在观察某些晶体产生的X光反射当中，在入射光的波长与角度的配合之下，可以观察到强烈的反射峰的现象。此现象即称为布拉格散射。布拉格定律为描述X-光绕射角度和晶体原子层与层间距离关系的方程式，nλ = 2d sin θ其中λ为X-光波长，d为层距，θ为绕射角度，n为正整数。(图四)

图解：图四、布拉格定律示意图

在晶格当中，上下两层的平面距离固定，入射光可以被任何一层原子而反射，但只有入射光行经距离为波长的整数倍时可以互相作用形成建设性干涉，由图五，被第 一层原子反射和被二层原子反射的光之光程差为BG + GF，且BG + BF = nλ。

又BG = GF = d sin θ
故 nλ = 2d sin θ布拉格定律让两个布拉格教授共享1915年的诺贝尔物理奖。

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看见化学键

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看见化学键
看见原子不稀奇，化学键没看过吧？IBM在苏黎世的研究团队继2009年首度公开了化学键影像，最近发表了像奥运环状的分子影像，从影像中可以清晰看出连结相邻原子间键结的存在。这项结果发表在9月出刊的《科学》上。

图解：碳C、氢H、氧O之间的化学键关系。
这个研究分子影像的先锋团队3年前发表全世界第1个单一分子影像，团队成员包含法国与西班牙的科学家。这次的新研究成果为研究奇妙物质“石墨烯”缺陷的可能性带来曙光，同时让科学家得以更清楚了解化学反应中电子的行为。

研究团队靠一种特殊技术－原子力显微镜来观察分子影像。原子力显微镜是以一个极其微小的金属探针在物品表面进行扫描，样品表面会和金属探头产生微小的作用力，收集作用力大小变化的讯号藉以描述物品表面的状况。IBM团队的新方法很简单，在铜制金属探针上黏一个更小的简单分子作为扫描式显微镜的探头，他们选用的分子是一氧化碳，一氧化碳是由1个碳原子和1个氧原子组成的小分子。由1个一氧化碳分子构成的探头，能准确的记录原子表面，让科学家「看」到世上1个单分子影像。如何精确的测量分子表面，一直都是科学家面临最大的难题与挑战，测量过程中必须避免来自外在环境的种种干扰，小小的震动都会影响影像画面。也许你无法想像，室温都会提供显微镜探针分子能量引起扰动，造成影像模糊，最后科学家不得不在摄氏-268度的超低温下进行实验。

让科学家在化学键影像研究得到突破的关键是分子的选择。第1个单一分子影像是观测稠五苯，这次实验中则改选用俗称巴克球的富乐烯作为观察的对象。文章第一作者Dr. Leo Gross说：在先前第一个单一分子影像，稠五苯的影像中，我们虽然看到化学键，但是我们看不出来不同化学键的差异。现在我们做到了，我们可以看见不同键结的不同物理性质，真是太令人兴奋了。

了解化合物中不同化学键的强度对预测分子形状、分子稳定度和分子反应性来说是很重要的。从分子影像图，科学家得到更多化学键的资讯，例如化学键种类和反应中化学键的变化，因为化学键种类与强弱和形成化学键两原子间的电子对数目有关。

接下来研究团队将继续利用这个技术检验石墨烯，石墨烯是一层只由碳原子组成的平面薄膜，其独特的物理性质和超高导电、导热性，被视为未来重要的奈米电子电路材料。当有其他种类原子混入的石墨烯，石墨烯特有的二维平面结构遭到破坏，产生皱折或弯曲，对此种缺陷目前所知有限，或许经由这个显微影像技术可以得到更多可供研究的资讯。未来研究团队也将尝试使用不同的分子当作原子力显微镜的纪录探针，希望有一天能更进一步看到分子的内部。
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日本研究团队发现活体生物的奈米外套

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图解：果蝇的幼虫在电子光束照射下的高解析扫描式电子显微镜进行活体观察，发现会自己形成奈米外套来自我保护。
物竞天择，适者生存！生物为了存活于变化多样的自然环境中，发展出各式各样的生理机能与结构，例如莲叶的高拨水性、蝴蝶翅膀的色泽、鲨鱼表面的低摩擦力等都广为所知。模仿生物的微细构造而开发新材料是仿生技术的热门研究之一。

生物表面的微细构造需要透过电子显微镜进行观察，但必须要处于电子束易于穿透的高度真空状态，且有必要将生物材料置于真空管内。只是若将体重有约80%水分的生物置于高度真空状态，生物会因水分蒸发而造成体积收缩，以致其表面微细结构变形。故为了观察近似活体生物的微细结构，需要将生物材料进行化学固定、干燥处理或表面包覆处理，因此以往透过电子显微镜观察的都是已死亡的生物体。

日本浜松医科大学和东北大学共同合作所组成的研究团队，使用高解析扫描式电子显微镜，在高度真空状态对各种生物进行活体观察，结果发现一些于体表具有黏性的细胞外物质生物，如果蝇或蜜蜂的幼虫，并无体积收缩现象，不仅能观察到微细构造的表面，还能观察到其运动行为，且之后从电子显微镜取出观察后的幼虫，能继续饲育变为成虫。后来使用未照射电子束，但同样的高解析扫描式电子显微镜，将幼虫放置1小时后，发现此果蝇的幼虫因体积收缩变形而死亡。实验结果显示电子束的照射是此生物体在高度真空状态下生命维持的关键。

为了观察果蝇幼虫的表面构造特征，对照高解析扫描式电子显微镜实验前后的果蝇幼虫制作超薄切片，使用穿透式电子显微镜进行观察，结果显示使用电子束照射的幼虫个体，体表外层形成50至100奈米的薄膜，但是未经电子束照射放置1小时的幼虫个体则未观察到薄膜的形成。

此结果显示此生物体于高度真空状态下，电子束的照射会形成薄膜，以抑制体内气体或液体的散失。另外，使用等离子照射处理也会得到与电子束的照射相同的薄膜。因此实验团队进行幼虫体表细胞外物质分析，选定与其类似化学官能基的界面活性剂，对原本无法产生薄膜而会体积收缩导致变形的蚊子幼虫，于其表面进行涂抹，并进行等离子照射处理，使之形成奈米外套，给幼虫穿上一件密不透气的奈米外套，使其在高真空的环境下，以电子显微镜进行活体观察，结果发现幼虫的体积未收缩与变形，且能活动自如，观察后放回饲养池内也能变为成蚊。后续实验也证实蚊子幼虫体表外层形成50至100奈米的薄膜。
此研究开发出的奈米外套，使往后的生物研究能藉以直接观察各种活体生物的微细构造与运动方式，期待能进一步理解更多生物的生命现象与行为。

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蓝光─把崭新的光明带到世界的角落

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蓝光─把崭新的光明带到世界的角落
2014年诺贝尔奖颁给了赤崎勇、天野浩、和中村修二，得奖的理由为发明新颖、环保-、节能、蓝色发光二极体，诺贝尔奖的精神是要把奖项颁给对全人类有最大获益的发明。使用蓝色发光二极体，就能用全新的方式制造白光。而LED灯的问市，使得人们现在有比以往的照明设备更加节能的选择。

当赤崎勇、天野浩、和中村修二在十二月初抵达斯德哥尔摩参加诺贝尔颁奖典礼时，他们很难不去注意到他们的发明正遍及在此城市里的所有窗口。白色LED灯发散出的亮白光线，既持久又节能。不仅如此，不像萤光灯，它们不含有毒的水银。
绿色和红色的发光二极体大约半个世纪前就存在了，但直等到蓝色发光二极体被发明出来，照明技术才有真正革命性的发展。因为只有红、绿、蓝色这三种颜色的光合而为一才能够产生为我们照耀世界的白色光。尽管科技业界及学界投注了大量的心力，蓝色发光二极体的研发仍花了30年的时间。
赤崎勇与天野浩是名古屋大学的同事；中村修二则发迹于日本德岛的一家小公司─日亚化学工业公司。当他们三人所研发的二极体终于产生高亮度的蓝色光以后，就引发了光电科技的全面变革。可以说，照亮20世纪的是白炽灯，照亮21世纪的是白色的LED灯。


节省能源与资源
一个发光二极体，是由好几层的半导体物质所构成的。在LED里面，电直接被转化成光，与其他光源相较更为节能，因为其他的光源将大部分的电转换成热能，只有少部分的电转换成光。白炽灯也好，卤素灯也罢，都是使用电流加热灯丝来发光。之前被称为节能灯具的萤光灯，则是藉由电来激发气体，进而产生光和热。在LED灯问世后，萤光灯的节能称号便拱手让出。
因此，相较于以往的照明设备，新的发光二极体仅需少许的能量。今日，LED灯还在持续不断地改良，只为追求更加节能，让每单位输入电能所达到的光通量愈来愈高。关于一颗LED灯的最新记录是每瓦300流明，相较之下，一般白炽灯泡只有每瓦16 流明，日光灯管顶多每瓦70流明。由于全世界的用电量中有四分之一用于照明，LED灯的贡献就是大大节省世界的能源。LED灯也比其他照明设备长寿。在灯丝被烧坏前，白炽灯可以使用约1千个小时，萤光灯则为1万个小时，而LED灯可以使用约10万个小时，因此使用LED灯能让物料的耗损显着地缩小。


从半导体中产生光
LED科技与当今的行动电话、电脑和所有依据量子现象的电子装置，有着相同的工艺。发光二极体掺杂数层半导体材料：n型层的多数导电粒子为带负电荷的电子，而p型层则缺少电子，其多数导电粒子为被描述成带有正电荷的电洞。
在这两者之间是一个活性层，当半导体通上电以后，就会驱动在其间带有负电荷的电子与带有正电荷的电洞。电子和电洞相遇时就会重新结合并发光。至于光的波长则完全要看半导体的材质。用七彩的彩虹来观察，蓝光属于短波光的一端，所具能量较高，只有某些物质能产生蓝光。
历史上第一个描述半导体发光的情形，出现在亨利．朗德1907年的记载，他是1909年诺贝尔奖得主古列尔莫·马可尼的同事。之后在1920、30年代，苏联的奥列格·罗赛夫进行了更进一步的半导体发光研究。但是朗德和奥列格缺少了真正了解这种现象的知识。要等到数十年后建立起电致发光的理论时，才为此种现象提供必要的理论说明。
在1950年代末叶就已发明红色的发光二极体。这些LED被用在电子表和电子计算机上，或是用在不同的装备上显示电源开关的状态。科学家在非常早期就已看出为了制造白光，需要发明具有短波长、高能量光子的蓝色二极体。许多实验室都尝试过，但是都失败了。

挑战常规
这三位获奖的科学家挑战旧有所谓的真理；他们努力工作并冒了极大的风险。他们自己建造设备，学习这领域的科技，并进行了数千次的实验。尽管他们大部份的时间都失败了，但他们并没有因此绝望；这是实验者精神的最高境界。
赤崎勇和天野浩选用氮化镓作为制造蓝光的材料，中村修二也选择同样的材料，他们的努力最终获得了成功，只因走在他们之前所有的失败者都没有使他们心生动摇。在此项研究的早期，研究者认为这项材料比较适合拿来生产蓝光，但是实际操作起来却非常困难，因为要在其上制造合适的表面让氮化镓生长结晶，咸认是一项不可能的任务。除此之外，在这个材质上也几乎不可能产生p型层。
但是，赤崎勇还是坚信先前的经验，认为选用这个材料是正确的，便继续和当时正在攻读博士的天野浩一起研究。在日亚化学工业任职的中村修二也选择了氮化镓而非硒化锌。

要有光
在1986年，赤崎勇和天野浩首次成功产生高品质的氮化镓结晶，他们放置一层氮化铝在蓝宝石基板上，然后在最上面生成高品质的氮化镓结晶。直到1980年代晚期，他们在产生p型层上有了重大的发展。赤崎勇和天野浩误打误撞地发现，他们的材料在放射性扫描电子显微镜之下，会更加剧烈地发光。这意味着显微镜的电子束让p型层运作得更有效。到了1992年，他们展示出第一个能照射出亮蓝光线的二极体。
中村修二在1988年开始研发他的蓝色LED。二年后，他也成功地生成高品质的氮化镓。他发现一个聪明的方法来生成结晶：他先在低温下生成一抹薄薄的氮化镓，之后将温度升高来生成后续的其他薄层。
中村修二同时可以解释为什么赤崎勇和天野浩可以成功产生p型层：电子束移除防止Ｐ型层形成的氢。中村修二自己则用了更简单更便宜的方法来取代电子光束：他在1992年，藉着加热所使用的材料，使他产生能运作良好的p型层。因此，中村修二的所采取的解决方法和赤崎勇和天野浩并不相同。
在1990年代，这两个研究的团队也成功地进一步改良蓝色LED，使它们更有效能。他们使用铝或铟，来与氮化镓铸造成不同的合金，发光二极体的构造也变得更复杂。
赤崎勇和天野浩一起，还有中村修二，都发明了蓝光雷射，而大小如沙粒般的蓝色LED是其中重要的元件。蓝光雷射与LED四散的光线不同，会发射一道锋利的光束。因为蓝光的波长很短，可以更紧密地聚合在一起；若在同样的区域，蓝光可以比红外线光储存多4倍的资讯。蓝光雷射增加储存容量的优异能力，旋即促使人们发明有更长播放时间的蓝光光碟，也促进人们发明更好的雷射印表机。
很多家用的装置也都配有LEDs。电视、电脑、手机配有LED萤幕，相机也有LED提供光源和闪光。

图解：LED灯只需要更低的电力就能比其它的灯发出更亮的光。灯泡的效能是以每一单位的电功率所产生的光通量为评判标准。由于世界上的电力大约有四分之一用于照明，使用高度节能的LED灯就能协助节省地球上的资源。

光明的解决之道
三位得奖者的发明在照明科技这个领域上引领了突破性的大变革。更新颖、更节能、更便宜、更聪明的灯泡还在不断研发当中。白色的LED灯有两种不同的制造方式。方式一是使用蓝光去刺激磷光体，使其同时激发出红色和绿色的光；当所有的光聚集在一起，白光就产生了。另一个方法是把灯设计成结合红、绿、蓝这三种颜色的LED灯，让眼睛自己去把这三种色光揉合成白光。
因为LED灯有如此大的弹性，早已广泛应用在照明的领域－可以制造出数百万种不同的色光；光的颜色和亮度可依需求做变化；五彩缤纷的光板，面积可达好几百平方公尺，既可闪光，也可改变颜色和花色；而且所有这些都可以用电脑控制！这个可以控制光的颜色的可能性，也意味着LED灯可以复制自然光的变换，也可依照我们的生理时钟变换颜色。使用人照光来进行温室栽种如今也已经实现。
当提到可能可以藉由LED灯，为超过15亿活在无电缆系统的人们增加生活的品质时，LED灯代表的是美好的愿景，因为这种灯源耗电量低，只需当地便宜的太阳能发电就能使人享有光明。此外，使用紫外线LED灯就可以把受污染的水消毒，而这又是继发明蓝色LED后的一大杰作。
蓝色LED问世虽然只有20年，但早已在创造白光一事上居功至伟，并以全新的方法造福世界上的每一份子。

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