朱永法，清華大學(xué)教授，北京電子能譜中心常務(wù)副主任。從1985年進(jìn)入北京大學(xué)攻讀碩士研究生開(kāi)始接觸X射線(xiàn)光電子能譜儀(XPS)，再到1988年到清華大學(xué)分析測試中心開(kāi)始接觸到俄歇電子能譜(AES)，直到現在近30年的時(shí)間，朱永法一直在從事電子能譜儀器在材料表面分析中的研究與應用，見(jiàn)證了電子能譜儀器在這30年中的發(fā)展變化，及其對材料表面分析研究的影響。

　　日前，記者特別采訪(fǎng)了朱永法，請他就電子能譜技術(shù)的發(fā)展及應用現狀、電子能譜儀器的發(fā)展對材料科學(xué)研究的影響、以及科研人員應該如何更好的利用儀器促進(jìn)科學(xué)研究等內容談了自己的看法。

清華大學(xué)教授朱永法

　　電子能譜儀器的發(fā)展促進(jìn)了材料表面分析研究

　　“作為材料表面分析的重要手段，XPS和AES的商品化儀器于上個(gè)世紀70年代基本發(fā)展成型。我國在80年代引入了XPS。”

　　當時(shí)的儀器操作非常不方便，自動(dòng)化和信息化水平都很低，大部分信息需要記錄儀來(lái)記錄，電制冷控制設備都十分龐大，信噪比也很差。在朱永法看來(lái)，當時(shí)要使用好儀器，不僅需要知識的積累，更重要的是一門(mén)技能。

　　“直到本世紀初，電子能譜儀器的發(fā)展有了非常大的突破。”朱永法說(shuō)，“儀器的自動(dòng)化程度和信息挖掘程度都有了很大的提高。同時(shí)，儀器的能量分辨率，空間分辨率，信噪比提高了，比如空間分辨率從幾個(gè)毫米發(fā)展到微米、納米級，現在我們使用的XPS分辨率可以達到10μm，俄歇電子能譜可以達到8nm。”

　　這樣的變化對科學(xué)研究也提供了很大的便利，過(guò)去為了提高空間分辨率，而不得不降低信號強度，不僅需要很長(cháng)的分析時(shí)間，結果也不理想。而現在幾分鐘時(shí)間就可以得到分析結果，并且兼具高能量分辨率。朱永法介紹說(shuō)，“現在的儀器可以實(shí)現自動(dòng)進(jìn)樣，并建有譜圖數據庫，這在以前很難想象。而微區分析技術(shù)的發(fā)展使得我們可以進(jìn)行電子器件連接位置，以及微電子材料的研究。”

　　儀器自動(dòng)化程度的提高，使得儀器的操作應用變得更加方便，但是同時(shí)它也限制了研究人員自由發(fā)揮的空間。朱永法說(shuō)：“過(guò)去我們可以在儀器中加入很多我們自己的設想，對儀器進(jìn)行改造，實(shí)現特殊的分析能力，或者獲得特殊用途的信息，但是現在的儀器自動(dòng)化程度高，很難對儀器再進(jìn)行改造。自動(dòng)化程度高的儀器，更適合大眾化分析，可以滿(mǎn)足95%的用戶(hù)需求。但對于科學(xué)研究來(lái)說(shuō)，我們還需要像原來(lái)那樣的老儀器，可以更改儀器的設計，滿(mǎn)足特殊的科研需求。”

　　電子能譜儀器逐漸成了材料研究當中的日常分析工具

　　“目前，隨著(zhù)電子能譜儀器技術(shù)的發(fā)展成熟，電子能譜分析方法的研究也進(jìn)入了低谷，不像上個(gè)世紀90年代，有很多相關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì )議，大家討論也很熱烈。但是表面分析技術(shù)應用的開(kāi)發(fā)空間還很大。” 朱永法談道。

　　“現在無(wú)論是做科研，還是產(chǎn)品研發(fā)都是離不開(kāi)儀器分析。近年來(lái)隨著(zhù)國家科研經(jīng)費投入的增加，電子能譜儀器在科研院所的使用已經(jīng)越來(lái)越普遍，逐漸成了材料研究當中的日常分析工具，不像以前要做表面分析實(shí)驗，還要一再考慮。”

　　“但在企業(yè),電子能譜儀器的應用還很少，除了儀器本身價(jià)格較貴，主要由于我國的企業(yè)現在以模仿生產(chǎn)為主，原創(chuàng )性產(chǎn)品少，大多數企業(yè)只有生產(chǎn)加工能力，很少有研發(fā)能力。一般國外的大企業(yè)都設有研究院，就會(huì )配置這類(lèi)儀器。不過(guò)隨著(zhù)國家投入增多，企業(yè)管理人中具有技術(shù)背景的人員增加，目前一些半導體、微電子、催化材料生產(chǎn)企業(yè)，已經(jīng)逐漸開(kāi)始使用電子能譜儀器。”

　　“另外，在經(jīng)濟全球化的形勢下，我們的企業(yè)將會(huì )逐漸參與到國際市場(chǎng)的競爭，要想提高競爭力，就需要研發(fā)創(chuàng )新，不能只是模仿，而創(chuàng )新沒(méi)有儀器的支持很難實(shí)現，電子能譜儀作為材料研發(fā)和生產(chǎn)質(zhì)量控制的重要手段，相信以后在企業(yè)當中的需求會(huì )逐漸增大。”

[page_break]
 

　　如何實(shí)現原位分析，是電子能譜儀器面臨的挑戰

　　電子能譜儀器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種成熟的儀器分析技術(shù)，但目前在材料表面分析中還無(wú)法滿(mǎn)足許多科研需求。朱永法認為電子能譜儀器主要還是需要提升空間分辨率。“要小到真正能做納米材料，比如AES如果探針可以小到1nm，那我們就可以在納米棒上做成分分析，但現在還做不到，得到的數據結果只是平均值。XPS空間分辨率如果能到1微米以下，我們就可以在微電子器件的焊點(diǎn)上尋找它同其他部位的差別。”

　　“另外，在空間分辨率提升的同時(shí)，還要保證檢測信號的強度，現在電子束其實(shí)也可以達到一個(gè)納米，但是束斑變小，能量降低，信號很難被檢測到。所以，將來(lái)檢測技術(shù)還需要不斷提高。當然還有計算能力、解譜能力、自動(dòng)化程度等，都需要進(jìn)一步提升。”

　　“最后，還有一個(gè)問(wèn)題就是現在材料表面分析研究，都是在超高真空條件下，但是實(shí)際材料并不在超高真空環(huán)境中。如何實(shí)現在實(shí)際環(huán)境中，進(jìn)行原位觀(guān)察，這是電子能譜儀面臨的挑戰?，F在也有方法能夠實(shí)現在大氣環(huán)境中分析，但是技術(shù)還不是很成熟。然而科學(xué)的發(fā)展，有它的限制，至少在目前的環(huán)境下，要想解決這一問(wèn)題，需要原理上的突破，幾十年的時(shí)間也不一定能夠實(shí)現。”

　　“最大程度的挖掘儀器信息是取得科研成果的重要方法”

　　從2001年開(kāi)始至今，朱永法一直擔任清華大學(xué)研究生材料分析化學(xué)課程的教學(xué)工作，并出版專(zhuān)著(zhù)兩部：《納米材料的分析表征和測試》和《材料分析化學(xué)》。他說(shuō)：“科學(xué)研究的發(fā)展離不開(kāi)儀器，現在很多的材料表面分析我們都可以借助電子能譜儀器來(lái)實(shí)現，而在以前只能靠推測。儀器技術(shù)的發(fā)展也往往促使科學(xué)研究出現新的生長(cháng)點(diǎn)或新的發(fā)展。比如沒(méi)有原子力顯微鏡，沒(méi)有STM，我們根本就不可能觀(guān)測到原子尺度的信息。”

　　那么科研人員究竟該怎樣做，才能更好的利用儀器促進(jìn)科學(xué)研究呢?

　　現在是專(zhuān)業(yè)化服務(wù)的時(shí)代，讓專(zhuān)業(yè)的人做專(zhuān)業(yè)的事

　　朱永法說(shuō)：“如果一個(gè)人只會(huì )按說(shuō)明書(shū)來(lái)進(jìn)行操作儀器，那就只是操作人員;如果能將儀器提供的信息和一些實(shí)際現象聯(lián)系起來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，這是研究人員;如果能將特殊的現象用來(lái)解決特殊的問(wèn)題，并把原理說(shuō)清楚，那就是科學(xué)家。”

　　“所以對科研人員來(lái)說(shuō)，更重要的是了解科學(xué)知識，提出好的科研思路和想法來(lái)解決問(wèn)題。并不需要花費太多精力去了解如何操作儀器，畢竟人的精力是有限的。”

　　“而且現在是專(zhuān)業(yè)化服務(wù)的時(shí)代，很多事情專(zhuān)業(yè)的人來(lái)做往往比我們花的時(shí)間少，做的結果又好。比如電鏡，經(jīng)常操作電鏡的人，很快就可以找到最佳狀態(tài)來(lái)觀(guān)察，而一般人可能琢磨半天，得到的圖像還是虛的。如果想實(shí)現某種特殊的需求，也可以找專(zhuān)業(yè)的廠(chǎng)商來(lái)做，關(guān)鍵是你要能夠提出自己的想法和需求。”

　　“因此現在教學(xué)中，我對學(xué)生的要求只是了解儀器的原理結構圖、知道儀器各個(gè)部件的功能，以及各個(gè)功能塊。另外更多的是要從物理原理角度了解儀器能提供什么樣的信息，了解影響儀器的因素，將儀器提供的信息與現象聯(lián)系起來(lái)，來(lái)說(shuō)明和解決材料研究當中的問(wèn)題。理解和應用儀器提供的信息對科研人員來(lái)說(shuō)最重要，并不是操作過(guò)程。”

　　“最大程度的挖掘儀器信息，而不是一味追求先進(jìn)的儀器”

　　“儀器信息的挖掘是做材料研究的科研人員必須要做的事情，這也是取得科研成果的重要方法，而不是一味的追求先進(jìn)的儀器。對同類(lèi)儀器來(lái)說(shuō)，再先進(jìn)的儀器它能提供的信息也是一樣的，并沒(méi)有本質(zhì)上的突破。這也是有些科研人員用底子很差的儀器，依然能發(fā)出高檔次文章的原因。”

　　“當前材料研究中使用的儀器就有許多更高層次的信息需要我們去解析，在硬件方面問(wèn)題不大了，更重要的是怎么在軟的方面進(jìn)行挖掘。比如紅外光譜，大部分人可能只是壓片出一個(gè)紅外光譜圖，但實(shí)際上紅外光譜還可以提供全反射、漫反射信息;XPS可以提供結合能、化學(xué)位移、俄歇參數等特征信息，同時(shí)還可以提供價(jià)帶峰、攜上峰、靜電裂分峰等指紋信息;X射線(xiàn)衍射儀主要用于物相分析，實(shí)際上它還可以提供晶胞參數、摻雜、晶胞位置、缺陷、晶粒大小、晶粒對接程度、介孔等各種各樣的信息，但很多人通常只用其中的一兩個(gè)信息;利用常用的儀器挖掘不常用的信息，這些信息往往對科研是最有幫助的，普通的常用信息大家都能做，而且這樣的科研證據說(shuō)服力也不一定強。”

　　“對技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，能夠熟練的操作儀器和真正理解儀器還有很大的距離”

　　當科研人員專(zhuān)心于科學(xué)研究的同時(shí)，我們對儀器操作人員的技術(shù)水平就提出了更高的要求。朱永法說(shuō)，而作為一名儀器操作技術(shù)人員，就需要對儀器的組成，及硬件軟件問(wèn)題非常清楚。他需要了解儀器的狀態(tài)，尤其是硬件的狀態(tài);并要了解儀器的原理和影響因素;另外對儀器要按規定的程序來(lái)操作，我們現在許多儀器出問(wèn)題，就是因為沒(méi)有按照規定的程序操作;最后要有基本的維護能力和故障判斷能力。”

　　“而且同樣對技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，能夠熟練的操作儀器和真正理解儀器還有很大的距離。技術(shù)人員有機會(huì )接觸大量的樣品，如果能將樣品分類(lèi)，了解每類(lèi)樣品怎樣做得到的分析結果最好，慢慢積累經(jīng)驗，時(shí)間久了也會(huì )成為專(zhuān)家。如果不論什么樣品，都按同樣的程序來(lái)做，那我們就不需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員了。”

　　“目前，我們操作儀器的技術(shù)人員的素質(zhì)普遍有待提高，因為大家之前在學(xué)校里學(xué)的只是儀器原理，很少有機會(huì )接觸儀器;而且現在儀器的技術(shù)發(fā)展速度特別快。所以要做一名出色的技術(shù)人員，一定要有責任心，要投入精力，不斷學(xué)習提升自己的能力水平。”

　　“在清華有不少技術(shù)人員的工作還是非常出色的，不少實(shí)驗員在工作中不斷研究，發(fā)現了一些儀器不常用的功能，或者是根據儀器的物理原理，開(kāi)發(fā)出了新的功能。分析測試中心現在有五六名技術(shù)人員，甚至都拿到了國家的自然科學(xué)基金的支持。其實(shí)只要鉆研就去了，總會(huì )出成果的。”