◆◇研究成果簡介◆◇ 內源電子全像術的發展、現況及未來 (物理研究所副研究員 魏金明) 一、緒論 內源電子全像術是近年來表面科學研究中，異軍突起具有突破性 發展的表面結構新技術。這種新的技術─不同於傳統嘗試與錯誤 (trial and error)的方法，需要複雜的電子多重散射理論計算─只 需將實驗數據作傅立葉轉換，即可得到空間解像率小於一埃 (1°A) 的表面原子三度空間的影像，是一種直接的方法 (direct method) ，因此引起了廣泛的研究及興趣。 這種經由固體內局部發射電子源形成的電子全像術，稱為內源電 子全像術。本文簡介其發展過程，並對其現況作簡單描述，最後則 對其未來的方向提出個人的淺見。 二、內源電子全像術的發展 1986年，Szoke 首先指出固體內局部發射之電子源，具有產生原 子尺度三度空間全像的可能性。Szoke提議經由測量及重建一個光電 子全像，此種原子尺度的顯微術可利用光電子來完成。1988 年， Barton進一步地說明Szoke的理念，指出光電子繞射現像可詮釋為光 電子全像術。 當光電子被激發出來以後，經由不同的路徑到達偵測器，就形成 光電子繞射圖案。一個基本的路徑是直接到達偵測器，其它的路徑 則經由鄰近原子的彈性散射到達偵測器，這兩種不同的路徑，借用 光學全像術的概念，可分別視為參考波 (reference wave) 及對物 波 (object wave)，所以光電子繞射圖案可視為電子全像，具有經 由傅立葉轉換重建產生原子三度空間影像的可能性。 1990年，Saldin和Andres指出包含不規則排列吸附原子的表面系 統，經由入射電子產生的擴散性低能電子繞射圖案(diffuse LEED pattern) 為一電子全像。1990年，Harp等人首度測量 Cu(001) 表 面的菊池電子繞射圖案 (Kikuchi electron pattern) ，將其作傅 立葉轉換，雖然他們得到的原子影像，仍然有假效應(artifacts)， 但在Cu原子的真實位置也出現了影像，直接地證明電子全像術，成 為表面結構新技術的可能性，因此使得內源電子全像術的研究，在 很短的時間內即形成一股熱潮。 長久以來，使用電子繞射方法研究表面結構，均以嘗試與錯誤的 方式進行。經由假設許多不同的表面結構，使用量子力學及多重散 射的技術，計算電子的繞射圖案及能量曲線，並將所有的計算結果 與實驗測量相比較，找出與實驗測量最接近的結果，最後再假定得 到最接近理論結果的結構，即為正確的表面結構。 使用這種嘗試與錯誤的方法，由於需要計算假設表面結構的數目 ，少則數萬，多乃至數十萬，所以需要大量的電腦時間及人力資源 ，加上這種計算的複雜性，僅有少數的專家可以勝任，因此可以想 見，使用電子繞射方法決定表面結構的困難程度。然而這種方法真 正的困難是有時候，同時有數個不同假射結構的計算結果與實驗測 量都很接近，無法找出那一個結果與實驗測量最為接近，進而決定 正確的表面結構。 然而內源電子全像術，只需要將實驗數據作傅立葉轉換，即有可 能得到空間解像率小於一埃的固體表面原子的結構，因此令人們感 到特別的興奮與期待！ 在理論發展的初期，對於如何重建電子全像得到正確的表面結構 ，有極大的爭議。由於內源電子全像術的現像與光學全像術的兩大 基本假設:【平滑的參考波】和【單一的散射系統】有所不同，因此 影像的重建，會產生由電子多重散射效應造成的假效應。Saldin 和 Fadley 主張單一能量的電子全像術，即可成為直接地表面結構分析 工具，但經由理論計算摸擬及實驗測量分析，已証明他們的主張是 一個錯誤的想法。這是因為電子與原子的多重散射效應造成的假效 應，無法經由單一能量重建的流程來消除。 為了解決這個基本的問題，Tong､Barton､本人､King乃分別提 出【多重能量相位疊加】的流程，以重建出具高真實度及高解析度 且無假效應的原子影像。多重能量相位疊加的流程，所以能消除電 子多重散射造成的假效應，是因為不同能量之真實影像的振幅，經 由相位疊加可以累積起來﹔然而電子多重散射造成假效應的振幅， 在相位疊加時則會彼此相消，隨著能量點的逐漸增加而消失，因此 可以得到正確的原子影像，成為空間解像率小於一埃的表面結構分 析工具。 三、內源電子全像術的現況 截至目前為止，經由實驗證明發展成功的內源電子全像術，有下 列三種：光電子全像術､擴散性低能電子繞射全像術以及菊池電子 全像術。以下分別對其發展的現況作一簡單的描述： 【光電子全像術】─ 光電子全像術因具有化學元素選擇的能力，故發展較快，實驗的 結果較多，但有些論文中的原子影像，仍然有假效應，可歸納為兩 個原因：一是因為電子繞射強度振盪的取得不夠正確，另一是因為 沒有消除電子參考波的非等向性波前效應。但這兩個問題都已獲得 解決，對於電子繞射強度振盪的取得，應由能量方向著手，而消除 電子參考波的非等向性波前效應，則需使用小角錐的重建流程。 【擴散性低能電子繞射全像術】─ 擴散性低能電子繞射全像術的發展較慢，目前僅有一個實驗結果 發表在期刊上，這是由本人､Tong和Keinz共同合作完成。由於準確 地測量擴散性低能電子繞射全像非常困難，因此可以預期這項技術 的發展空間相當有限。 【菊池電子全像術】─ 菊池電子全像術係由本人與清華大學的周亞謙教授在台灣共同發 展成功，已發表的實驗結果，有五篇論文。平心而論，菊池電子全 像術由於實驗過程既簡單又快速，因此可有廣大的發展空間，對於 傳統的方法，也有較大的衝擊。截至目前為止，已有英國､德國及 日本的研究群加入這項新技術的推廣，然而菊池電子全像術不具備 化學元素選擇的能力，是其不利之處。 四、內源電子全像術的未來 雖然空間解像率小於一埃的內源電子全像術，經由多重能量相位 疊加的使用，已發展成為直接地決定表面結構的新技術，然而這種 新技術的推廣，卻有實際的困難，歸納其主要原因是取得巨量繞射 實驗數據的困難，無法輕易的克服。內源電子全像術，雖然只需將 實驗數據作傅立葉轉換，即可得到高空間解像率的原子結構，然而 【天下沒有白吃的午餐】，其所需要之實驗數據，遠大於傳統的方 法，甚至達十倍以上，這對於使用昂貴的同步輻射光源的光電子全 像術，更是極大的致命傷。因此就內源電子全像術的推廣而言，發 展快速及正確的數據測量系統，例如display-type analyzer，是內 源電子全像術未來應該努力的主要方向。