原子力顯微鏡原理及奈米表面結構分析實作 - 姚岳廷
此課程的授課教師是化學系的李介仁老師，從早上9點到下午4:30的1.5學分課程。此門課最特別的是包含實作，但原子力顯微鏡(AFM)只有一台給學生用，因此只能「小班教學」，而實際來修這門課的總共只有七人。這種近乎家教班的授課方式，不只老師能夠以輕鬆、無進度壓力的方式介紹相關概念以及應用，也沒有正規課程的一板一眼。李老師總能夠根據學生狀況以及疑問隨時回應以及補充。而在實作方面，也能確保每個人都能輪流操作到儀器，並有充分的時間掃出結果。
原子力顯微鏡(AFM)是一種現在科學家常用於量測材料表面的器材，屬於掃描探針顯微技術(SPM)的一個分支。可以用於量測材料表面的顯微鏡非常多種，但AFM具有在奈米尺度探測表面結構的功效，且不需要對樣品進行前處理，甚至可在AFM的探針上加上其他技術，去做包含探測表面電性、磁性…等更廣泛的量測，其應用相當廣泛。AFM的原理是當具有懸臂的探針接觸到材料表面時，探針的原子會與表面的原子產生電磁交互作用，當達到臨界距離後，再更進一步減少兩者間的距離，會使得電磁交互作用力急遽增加，此時懸臂會被彎曲，然後利用雷射打到這個懸臂上產生的光槓桿來感知懸臂的彎曲程度，再將收到的雷射訊號轉換成電腦訊號，在電腦上將懸臂的受力運算成表面的凹凸程度，最後繪製成圖。(下圖黑色部分為低處，金色部分為高處，此為存取資訊的DVD光碟表面)
前四天課程分成早上與下午的部分，早上是原子力顯微鏡的理論以及應用，以PPT授課，下午是實作課程，而第五天則整天都是實作的課。
在PPT授課方面，李介仁老師將他研究所開授的相對應課程之ppt，刪去一些數學推導後，以強調「儀器原理之概念理解」、「實際應用」以及「最新發展」的面向來上課，因此並無艱澀難懂的數學。在ppt中也不時穿插一些有趣的影片，如：美國IBM利用AFM排列單一原子的技術以及探測表面原子排列的技術，拍出第一部原子尺度的微電影：A Boy And His Atom。老師也有教我們判斷當AFM掃出來的圖若不清楚，可能是探針哪裡出了問題，這樣在實作中方能確切的觀察到並且應用。
實作課程第一天下午會先下針實作，掃一次AFM的圖，另外再將光碟或DVD剪開，取其中儲存資訊的那面以蒸餾水以及酒精洗乾淨。第二天下午的實作會將第一天做好的樣品放到AFM下掃圖。第三天下午會讓每個人製備不同粒徑的二氧化矽奈米粒子薄膜，我則是分配到粒徑最大的10um二氧化矽粒子，後來將不同粒徑掃出的結果比對之後發現，粒徑太大或太小在掃圖時會增加一定的難度，而粒徑大約0.4um左右掃出來的圖象最為清晰。第三天與第四天分別用探針以「刮」表面的方式與「點」表面的方式來掃圖，並讓我們摸索下針時所需要的力道。課程到第五天，我們以「刮」表面的方式將一個平整的表面刮出預設的圖形。並且從老師告訴我們的網站免費下載後處理程式，學習初步的後處理，包含調整對比、去掉雜訊、3D模型建立…等，並給我們掃出圖形的原始檔，讓我們在課餘還能繼續處理自己的作品成果。
金奈米粒子的排列 在表面刮出一條Lagrange方程
雖然最後兩天在實作掃圖時平均每人在下針、調整儀器、掃圖(平均一人掃一張圖要10分鐘左右)的等待時間要30分鐘以上，但老師給我們很大的時間彈性，若已經將今天的掃圖等步驟都完成後老師都會讓我們先離開。而且等待時間雖然長，但老師的人生閱歷以及見聞非常廣泛，這幾天老師也利用等待時間跟我們聊了很多包含出國留學的準備、國外此領域的發展，甚至是國內外學界、業界的奇聞軼事，因此修完此門課程後不只覺得學到許多相關的專業內容，更覺得豐富了自己的人生閱歷。
最後是修完此門課後我的個人心得。我修這門課時是大一升大二，而一起修的同學大部分都是升大三或升大四的學長姐(其中學長姐分別來自材料、化學、地科、生技等系)，與學長姐詳談後發現他們有些人真的從這門課學到一些跨進此領域的基礎知識，而雖然對我來說進到專業領域還有點早，但在大二上修了物理系半學期的固態物理至今，我已經逐漸能夠比較出化學系與物理系在此領域中許多不同的地方。例如化學系會偏向表面的氧化物、有機物…等，但物理系會偏向了解設計出來的表面結構之物理性質(如:電性、磁性…等)，兩者還是有不少差距。同樣的，構築在不同科系的基礎知識上能達成的應用效果也不同。這次因為自己有實際上機操作過，所以在之後上固態相關課程時看到掃出的圖也會比其他沒上過此門模組化課程的同學有更深入的理解，也能了解儀器的原理，對學習來說幫助挺大的。此門模組化課程在修課時因為老師給出輕鬆愉快的氣氛，所以也沒有一般三學分課程嚴肅、規律的學習氛圍以及考試進度的壓力，純然是真的對這個領域感到好奇、有趣，才產生學習的動力。學得多學得少完全是靠自己的努力以及發問，我個人真的很喜歡這種學習方式。修完這門課之後，是真的覺得多認識了一個領域，也有了難得的實作經驗。一般課程可能基於儀器的昂貴性以及稀少性，故較難讓學生自己操作，但介仁老師真的是以冒著儀器損壞的風險，想讓學生真的有學到東西的態度在設計這門課，這種教學熱忱真的深深打動我。
備註 : A Boy And His Atom https://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0
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