科學閱讀素養：頂尖科學家教你讀科學

【推薦序】（中央研究院葉永烜院士）
【前 言】科學與我（國立中央大學施如齡教授）
單元一 半導體科技—─從原子到應用
單元二 從光學顯微鏡成像研究生物醫學
單元三 現代前沿的觀點——奈米科技與奈米技術
單元四 微中子：了解早期宇宙物理學的窗口
單元五 Covid-19 與氣膠
單元六 地球空間：我們地球的保護層
單元七 全球暖化加速地震的發生嗎？
單元八 多才多藝的MAO酶
單元九 量子物理為何重要
單元十 穿越印度洋、太平洋：史前南島民族的勇氣、智慧與旅程
單元十一 粒子追蹤與海洋研究
單元十二 發展網際網路新未來——命名資料
【跋】人人都是科學家（國立屏東大學施百俊教授）
【致 謝】

 

推薦序

中央研究院葉永烜院士（2023 總統科學獎）

　　科學素養是怎樣形成的？有了科學素養又會有何益處？如何可以找到科學素養的範本？這些大概都是這本書的讀者最關心的事。也是編著者施如齡教授的盡心盡力，擷取多位女性傑出學者在線講座內容的精華，希望藉著她們的榜樣向讀者傳達的訊息。

　　我們可以看到這些學者的成長過程很不一樣，研究領域也不盡相同。但一個共通點便是對學問的追求都是樂在其中，鍥而不捨。這和一切為考試而唸書的作風當然很不一樣。但這是不是便是科學素養？我覺得還是有不足，還有很大的差別。我想最透澈的科學素養應是了解不管自己的所學和專長，天生我材必有用，都能立志於服務人群，改善這個世界。猶太人的家庭教育和學校教訓便是如此。猶太人在科學研究及其他領域的成功正也因此之故。再有一個例子，我在澳門蔡高中學唸書時的余艷梅校長，一生以教育為其志業。余校長的墓碑上紀念她說：「一生便如使徒保羅，不求自己的益處。」我想這才是素養。

　　單元一 半導體科技─從原子到應用
　　King Liu, T. J. 劉金智潔 教授
　　[臺灣科學特殊人才提升計畫]（2021, June 23）
　　Semiconductor Technology – from Atoms to Applications [Video].

　　半導體
　　半導體被應用在我們生活周遭的各項設備，像是我們所持有的智慧型手機、音響甚至是汽車。現今，汽車製造商也無法購買足夠的半導體產品，也就是積體電路（圖 1）；一般簡稱為IC （Integrated Circuit）或晶片。我們周圍所有電子設備都應用了積體電路，我們可以將積體電路想像成大腦，它是設備中重要的組成部分。現在我們有平板電腦、電視可以在家看電視，這些都是運用半導體技術的大型電子設備。

　　晶片是一塊非常小的半導體材料（圖 2），上面由位在同一塊矽上的許多電子組件組接而成。德州儀器公司（Texas Instruments, TI） 於1954 年展示了第一塊晶片；1968 年Robert Norton Noyce 和Gordon Moore 創立英特爾（Intel）公司；而現在，美國矽谷的公司持續研發晶片演進計算能力。

　　電晶體
　　電晶體（圖 3），也就是常聽到的固態電子元件，它位於矽片的頂部。圖中帶有顏色的導電材料，稱為電極（electrode）。而紅色的部分，我們稱為閘極（gate），所謂的閘極就像是開關，允許某些物質通過與否。

　　如果向閘極施加電壓， 且高過於臨界電壓（Threshold Voltage,Vth），電晶體就會允許電子在綠色部分的源極（Source）與汲極（Drain）之間進行流動，這時就會產生電流。因此，電晶體就像是一個機械開關，當你打開開關，你就能打開燈。圖 3 左下是電晶體的顯微照片。這個閘極長度是30nm，這樣的大小比頭髮的寬度還要小一千倍。

　　在理想狀況中，電晶體是一個開關，只有開與關兩種狀態，但實際上在圖表中可以觀察到當電晶體的電壓為0 時，它仍然會傳導一點點電流，這就是截止電流（Off-state Current），而這是我們不喜歡的狀態。事實上，電晶體經常處於不理想的狀態，他們在關閉時會傳導非零的截止電流。另外，向閘極施加的最大電壓稱之為Vdd，電壓決定了電晶體導通時的電流量，在導通時的電流稱之為導通電流（On-state Current）。導通電流越大，晶片計算得越快。理想情況下，如果想節省電池壽命讓手機使用更少量的電，必須讓手機在低電壓或較小的Vdd 下工作。但這就意味著電晶體的導通電流較少，手機運行的更慢。如果，我們可以設計具有較低臨界電壓的電晶體。這樣我們就可以擁有高導通電流，晶片運行的速度能更快，但另一方面會使截止狀態的漏電流（Leakage Current）上升，這也意味著電池壽命會下降。

　　單元三
　　現代前沿的觀點─奈米科技與奈米技術
　　Yeh, N. C. 葉乃裳教授

　　奈米科技與奈米技術
　　奈米科技與奈米技術已經成為一個重要的多學科研究，研究範圍從基礎科學到技術，包含空間、計算、通訊、消費電子、可持續性以及醫學等等皆具有重要影響（圖24）。拜曼於1959 年發表了演講，並向人們提到：「將來人們能夠在針頭上寫下整個植物百科全書。」這挑戰需要奈米大小的點狀結構來完成。但是，依如今科技進步的程度，這已經不是什麼大問題了。在1980 年代後期，隨著現代掃描探針顯微鏡的發明，所有東西都可以讓我們操縱單個原子，並創造尺寸只有幾奈米的半導體設備晶片。我們在奈米科技中做了什麼呢？我們試圖了解物理與化學原理，從原子到分子。人們使用奈米科技來研究各維度的現象，並設計與操作原子與分子大小的物理、化學特性及過程，然後能夠開發與製造功能性奈米材料與奈米設備。我們可以整合它們之後，將奈米的性質與系統的微觀現象進行連結。圖24 展示了石墨烯原子、奈米晶體、奈米陣列以及奈米設備，有很多技術性的應用。

　　今天在我們的電腦、手機還有很多無線應用的東西，都需要高密度的小型設備與數據儲存。因此，從醫學到國防、天文學研究、超靈敏探測器、空間探索、物聯網、量子計算、量子訊息，還有很多東西也是奈米級的東西，且性能是完全不同的。能源研究、光能發電儲能、碳吸能等，各式各樣的東西，實際上都受到奈米科技與奈米技術的重大影響。奈米技術本質上是高度跨學科的，包括物理、化學、生物學、表面與材料科學、神經科學、電機工程、機械工程以及資訊工程等等。

　　微影製程技術
　　奈米應用與相關的顯微鏡， 一般來說共分為三類： 微影製程（Photolithography）、電子束微影（Electron-beam lithography）以及聚焦離子束微影（Focused ion-beam lithography），它們是使用光進行微影製程、使用電子束來進行電子束微影，或是利用離子束來進行聚焦離子束微影等。這些所接觸到的是光學設計，因為量子力學中具有波粒二象性；粒子是波、波是粒子。因此，如果光是由量子組成，它們就像粒子，也是波。量子力學中的波粒二象性，能在顯微鏡設計中得到充分體現。

　　對現代產生巨大影響的第一件事，是過去沒有任何電子產品是使用微影技術（圖 25）。微影技術是製造現代奈米設備的主要技術。所有的電腦晶片以及商業應用中的設備，主要基於微影製程技術。這技術需要一種激光束和基板。基板是由光敏聚合物組成，所以需要用激光束在聚合物上書寫，之後被書寫的部分就會被顯影，也意味著可以去除。在基板下面有個鉻系統（Chromium），因此在開發的過程中，可以根據用光書寫的方式來去除鉻，用它來去除聚合物並蝕刻掉，之後進行圖形轉移

　　（Pattern transfer）。