國家同步輻射研究中心材料領域研究簡介

一、同步輻射研究中心簡介：

同步加速器光源是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一，已廣泛應用在材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等基礎與應用科學研究，因而被稱為現代的「科學神燈」。目前全球供實驗用的同步加速器光源設施超過七十座，同步加速器光源設施的建造已成為各國高科技能力的指標之一。

台灣科學神燈的搖籃—國家同步輻射研究中心位於新竹科學工業園區內，設立的宗旨為有效運轉及利用同步加速器光源設施，執行相關尖端基礎與應用研究，藉此提升我國科學研究之水準及國際地位。本中心首座的同步加速器「台灣光源」全由國人設計建造完成，於1993年10月正式啟用，為亞洲第一座完成的第三代同步加速器設施。自1994年4月起開放光源供國內外學術科技界使用。

近年來，國內外利用此設施從事尖端科學研究的實驗團隊與人數均快速增加，且發表之研究成果在質與量上亦大幅成長，各研究領域已陸續做出數量可觀、世界一流的科學實驗與成果。面對國際間激烈的科技競爭，經過國家科學委員會與本中心同仁的共同努力，以及全國學術與科技界的支持，行政院於2007年3月同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」，在原有基地上興建一座能量30億電子伏特、周長518公尺、超低束散度的「台灣光子源」（Taiwan Photon Source; TPS）同步加速器光源設施。2010年2月7日舉行了「台灣光子源興建工程」動土典禮，在台灣科技發展的歷史上開展了嶄新的一頁。這座「台灣光子源」完成後將是我國有史以來規模最大的跨領域共用研究平台，提供世界上亮度最高的同步加速器光源，可開創嶄新實驗技術與拓展科學研究領域，帶動我國在科學研究上的蓬勃發展，引導年輕學子投入尖端科學研究，並且協助高科技工業進行產品研發與製程優化。

二、中心在材料相關研究領域簡介：

材料科學或材料工程是一個多學科領域，涉及物質的性質及其在各個科學和工程領域的應用。它是研究材料的製備或加工工藝、材料的微觀結構與材料宏觀性能三者之間相互關係的科學。涉及的理論包括固體物理學，材料化學，應用物理和化學，以及化學工程，機械工程，土木工程和電機工程。與電子工程結合，則衍生出電子材料，與機械結合則衍生出結構材料，與生物學結合則衍生出生物材料等等。隨著近年來媒體將注意力大量集中在奈米科學和奈米技術上，材料科學在許多大學被推到了最前沿。此外，它也是工程鑑定和破壞分析中的一個重要組成部分。

本中心材料相關研究活動的進行與推動主要分屬四個單位；材料科學小組、奈米科學小組、磁學小組及光源產業應用小組；各小組之研究領域與範疇分述如下：

（一）材料科學小組：

此小組主要以同步輻射2-50 keV之X光能量波段作為主要實驗的工具，研究方向以尖端材料的結構及其物理化學特性的研究以及發展新穎實驗技術為主。使用的技術及涵蓋的研究領域包括：

光電半導體薄膜材料: 利用X光散射、掃瞄探針顯微鏡、霍爾效應量測、光激光譜和拉曼光譜等技術對光電半導體薄膜材料的結構、光學及電學方面的特性進行研究並探討各種物理特性彼此間的關聯性，及研究各種長晶參數對其結構的影響以了解其生長機制。
利用粉末繞射解析粉末樣品結構：包括新穎材料之結構探討，例如光觸媒、儲氫、或鋰離子電池之材料。同時探討其相變化。
利用實空間法解析新開發之藥物分子、生醫奈米材料以及有機半導體材料的晶體結構。
超晶格鐵電特性與結構的研究: 利用磁控濺鍍方法成長鐵電及多鐵性人工超晶格型薄膜，並從事實時薄膜成長實驗之臨場同步輻射X光研究。
發展ALD成長高介電、光電材料超薄磊晶薄膜技術: 利用同步輻射X光研究ALD成長高介電、光電材料之薄膜成長機制研究。
利用超分子化學作用力結合雙團鏈共聚高分子和液晶基團，形成側鏈型高分子鏈結構。透過適當控制超分子化學作用力可改變液晶相變，進而影響團鏈高分子的自組織行為，形成階層性的自組織週期結構。
利用X光反射和小角度散射研究凝態高分子材料或薄膜等微結構上的晶型，非晶型特性區域長度，晶化程度、方向等與材料特性的關係。

（二）奈米科學小組：

發展新穎材料並探討其特性一向是材料科學發展的重要方向，而透過調變系統尺寸和其介面特性來達成將材料功能化的作法更是在奈米科技日漸普及後所興起的研究領域。由於量子效應會在奈米尺度下更加的凸顯，所以即便是由相同材料所組成的結構，也會因為其尺寸縮小至奈米尺度而出現截然不同的物理化學性質。利用同步加速器提供的高亮度光源，本小組的研究團隊透過X光顯微術、光電子能譜術，和X光吸收能譜術等技術探討多項材料系統之特徵與其相關的物理化學起源。研究的課題包含鐵電材料、磁性材料、有機半導體分子、自組裝分子、碳60、石墨烯，以及有機二極體（OLED）等多項材料在不同尺寸、結構、表面，和大氣壓力時之特性與其電子結構。探討的主題包括:

鐵電及多鐵材料：研究多鐵氧化物與過渡金屬氣化物在高壓下引發相變物理現象與電子結構之改變，及磁電效應產生機制與含鐵超導體之電子結構與機制。
光電材料及功能性分子：研究有機發光二極體、有機太陽能電池、有機半導體等元件在奈米尺度下之界面性質、電子結構與分子化學行為。
低維度之碳基材料：以高解析光電子能譜術探測新穎磁性材料與單層和雙層石墨晶體的電子結構。
奈米材料：以X光能譜顯微術研究新穎奈米材料之微區電子性質及化學能態。
磁性材料/複合結構：以X光顯微術、X 光吸收能譜術和光電子能譜術探討鐵磁性金屬與有機半導體等異質材料間之界面磁特性、化學結構、與自旋傳輸性質（有機自旋電子學）。

（三）磁學小組：

磁性及強關聯電子系統材料具有相當特殊及有趣的物理現象，例如高溫超導、多層磁性膜、龐磁阻、多鐵電性等，此類新材料在固態物理基礎科學研究及未來工業應用上吸引很多人的興趣。而利用同步加速器光很適合探討物質電子結構和磁性結構等重要物理現象。磁學小組主要的分析研究技術包括軟X光光吸收、磁圓偏振二向性、X光放射、共振非彈性散射、高動量解析光電子發射、電子自旋解析等能譜學，而所研究的題材相當廣泛，包括了奈米微粒、薄膜、半導體、過渡金屬氧化物、高溫超導、重費米子化合物等材料的物理現象。

電子陶瓷：以單晶或薄膜樣品為主之過渡金屬氧化物與多鐵電材料等之磁結構與磁相變等物理現象。
奈米材料：奈米微粒、奈米線、奈米碳管、奈米鑽石薄膜等不同維度奈米材料之電子結構及磁性之研究。
光電材料：發光二極體、奈米碳管、奈米鑽石薄膜等顯示器與光電材料。
半導體材料：稀磁性半導體、奈米鐵磁半導體等原子與電子結構及磁性之關聯。
紀錄材料：磁性薄膜、巨磁阻與龐磁阻材料之磁結構之探討。
能源材料：儲氫材料、電池相關材料in-situ之電子結構研究。

（四）光源產業應用小組：

除了上述的研究範疇之外，本中心亦積極推動產學相關合作與研究計畫，並於民國96年8月成立光源產業應用小組，任務為協助產業界使用同步加速器光源設備。服務產業包含：半導體、光電產業、紡織工業、二氧化矽工業、鋼鐵、金屬、假牙工業、鋰電池工業、石油化學、液晶面板產業、微機電產業、光電設備廠、陶瓷、玻璃、鑽石產業、儲能產業等。

歡迎需要材料分析之產業成為合作對象，特別是需要委託其他機構從事粉末/薄膜繞射(XRD)、吸收光譜(EXAFS)、光電子能譜(ESCA)、反射率測量等技術作為材料分析工具的產業界。

為滿足客戶的智慧財產保護，本中心除了會與客戶簽訂保密協定外，並會嚴格限制文獻發表，以專業程序設定客戶樣品資訊與研發目的保密措施。

服務與合作的模式分下列幾種：

樣品交件(mail-in)分析測試。經過產業界與中心的服務成員討論材料分析需求後，服務成員將建議適用的同步加速器光源設備與技術，並提供樣品製作的規格需求，然後安排實驗時程。材料分析的討論，我們會視情況需要邀請資深研究人員參與，實驗可交由具專長的服務成員執行，實驗數據可委由服務成員執行或由客戶自行處理。
專題分析研發合作案。若客戶需要有系統的利用同步加速器光源來完成特定系列樣品的材料分析，可選擇與中心簽約，以更充裕的設備使用時間，更經濟的研發成本，與中心研究人員協同完成製程開發、務性研究，或故障分析。
長期租用光束線時間或業界主導興建專屬光束線、實驗站。若客戶希望將同步加速器光源設備納入客戶本身的產品研發實驗室，可以選擇適合其需求的專屬時間或設備，以發揮其材料開發的最大效率。

三、成員簡介：

材料科學小組

職稱	姓名	學歷	專長
研究員	徐嘉鴻	美國波士頓大學物理博士	表面科學與薄膜成長、磊晶薄膜之原子結構與缺陷分析、半導體奈米結構之成長機制與結構研究
副研究員	許火順	國立台灣大學化學博士	非常態結晶學、粉末解晶、奈米材料之結構探討
副研究員	李信義	國立清華大學材料博士	薄膜成長機構之臨場同步輻射X光研究、奈米磊晶薄膜結構研究、磁控濺鍍鈣鈦礦結構超晶格薄膜、磁控濺鍍新穎多鐵性超晶格薄膜開發、原子層磊晶薄膜成長技術、開發新一代的光電材料
助研究員	莊偉綜	國立台灣科技大學高分子博士	高分子結晶化行為、軟物質材料結構與相變、高分子自組裝行為

奈米科學小組：

職稱	姓名	學歷	專長
研究員	陳錦明	國立台灣大學化學博士	實驗固態物理、半導體物理、鑽石高壓砧實驗
研究員	皮敦文	美國愛荷華州立大學物理博士	光電子能譜術、高介電值氧化物材料、矽表面之電子結構、有機發光二極體與金屬電極界面電子結構
研究員	楊耀文	美國芝加哥大學化學博士	表面物理化學、光電子能譜術、有機半導體分子元件製作與分析
副研究員	崔古鼎	美國賓夕法尼亞大學物理博士	角析電子光能譜術、X光吸收光譜術、碳60、石墨烯電子結構
副研究員	魏德新	美國奧瑞岡大學物理博士	X光顯微術、自旋電子學、奈米磁學及表面科學
副研究員	許瑤真	國立清華大學化學博士	表面界面及薄膜、有機光電材料科學、奈米科學與自組裝單層膜分子
助研究員	陳家浩	德國柏林科技大學物理博士	X光顯微術、表面科學、固態物理

磁學小組：

職稱	姓名	學歷	專長
研究員	黃迪靖	美國德州大學Austin校區物理博士	軟X光能譜學之實驗技術、新穎強關聯電子材料、超晶格多層膜材料、多鐵材料、高溫超導體…等材料之電子結構、磁性結構、磁性相變
副研究員	林宏基	國立清華大學物理博士	3d過渡金屬氧化物 (如高溫超導體、龐磁阻及多鐵電材料)、磁性多層膜之軟X光光吸收能譜學、理論模擬此類新穎材料之電性及磁性
助研究員	董崇禮	淡江大學物理博士	重費米子系統、奈米材料之電子結構、X光吸收及共振非彈性散射光譜

光源產業應用小組：

職稱	姓名	學歷	專長
副研究員	樊台清	國立清華大學原科系博士	光學設備、脈衝式導線磁場量測系統、脈衝磁鐵(kicker, septum)磁場量測系統
副研究員	高至鈞	美國賓州大學材料系博士	材料製程、分析同步加速器光源在奈米材料及工業材料之分析應用

四、主要實驗站與儀器設備：

實驗站名稱	負責研究人員
X光散射實驗站	李信義
粉末繞射實驗站	許火順
磁控濺鍍系統/原子層薄膜磊晶系統	李信義
雷射蒸鍍系統/原子力掃描顯微鏡	徐嘉鴻
四環/六環繞射系統	徐嘉鴻
光吸收/光電子能譜實驗站	陳錦明
高解析度光電子能譜實驗站	皮敦文
表面及介面科學實驗站	楊耀文
顯像式光電子顯微實驗站（PEEM）	魏德新
表面特性分析系統	許瑤真
掃描式光電子能譜顯微術實驗站 (SPEM)	陳家浩
共振式軟X光非彈性散射儀(低能量電子激發態研究)	黃迪靖
共振式軟X光非彈性散射儀(彈性散射、電子結構、磁性結構、磁性相變)	黃迪靖
磁圓偏振二向性光譜實驗站	林宏基
軟X光吸收能譜實驗站	林宏基

五、未來展望：

台灣光子源興建完成之後，同步輻射研究中心將提供國內外科研人員更多尖端新穎的實驗技術與設備，針對材料界研究的需求，在出光初期將完成一次微米X光繞射實驗站。此實驗站X光聚焦點可達100奈米以下，利用空間相位解析之二維偵測器，可針對薄膜材料系統研究其臨場生長機制(in-situ growth dynamics)及薄膜介面結構、高壓高溫條件下微區材料結構轉變及各種具次微米特徵尺度之材料樣品系統的結構分析，此實驗站將是材料研究領域之一大利器。

在功能性材料的研發和奈米材料的研究方面，我們正逐步更新量測儀器以提升量測的精確度與靈敏度，新一代的X光顯微鏡亦在規劃中。未來結合台灣光子源提供的高亮度光源，奈米科學和材料科學的關連將日趨緊密。

此外，本中心正在積極提升共振式軟X光非彈性散射儀之光子偵測效率，預計將來在完成主要光學元件之更換後，可大幅提升偵測效率，可達傳統光束線設計之500倍，屆時此光束線將成為領先全球、效率最佳的軟X光非彈性散射儀，為探測物質微觀結構開啟令人振奮的新領域。

總之，台灣光子源的興建，正開啟台灣材料科學研究的新契機，就如同中研院前院長李遠哲院士所指出與期待地：「光」的科學與應用在近代科學發展扮演著非常關鍵的角色，同步加速器光源已被世界公認是二十一世紀科技發展不可或缺的實驗利器，並已廣泛應用在許多基礎與應用科學研究領域上。期盼台灣光子源完成後能帶動更多跨領域以及具有世界競爭力的科學研究發展，包含生醫、綠能材料的產業的前景，也期許這座未來的「科學神燈」能點燃新一代年輕人投入尖端科學研究的熱情，讓他們能夠在媲美先進國家的研究環境中，作出影響深遠的科學發現，進而榮獲科學界最高的桂冠。