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)攻讀碩士研究生開始接觸X射線光電子能譜儀(XPS)，再到1988年到清華大學(xué)分析測(cè)試中心開始接觸到俄歇電子能譜(AES)，直到現(xiàn)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(yīng)用，見證了電子能譜儀器在這30年中的發(fā)展變化，及其對(duì)材料表面分析研究的影響。

　　日前，記者特別采訪了朱永法，請(qǐng)他就電子能譜技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀、電子能譜儀器的發(fā)展對(duì)材料科學(xué)研究的影響、以及科研人員應(yīng)該如何更好的利用儀器促進(jìn)科學(xué)研究等內(nèi)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(jì)70年代基本發(fā)展成型。我國(guó)在80年代引入了XPS。”

　　當(dāng)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記錄，電制冷控制設(shè)備都十分龐大，信噪比也很差。在朱永法看來，當(dāng)時(shí)要使用好儀器，不僅需要知識(shí)的積累，更重要的是一門技能。

　　“直到本世紀(jì)初，電子能譜儀器的發(fā)展有了非常大的突破。”朱永法說，“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(jí)，現(xiàn)在我們使用的XPS分辨率可以達(dá)到10μm，俄歇電子能譜可以達(dá)到8nm。”

　　這樣的變化對(duì)科學(xué)研究也提供了很大的便利，過去為了提高空間分辨率，而不得不降低信號(hào)強(qiáng)度，不僅需要很長(zhǎng)的分析時(shí)間，結(jié)果也不理想。而現(xiàn)在幾分鐘時(shí)間就可以得到分析結(jié)果，并且兼具高能量分辨率。朱永法介紹說，“現(xiàn)在的儀器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)樣，并建有譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)，這在以前很難想象。而微區(qū)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(yīng)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：“過去我們可以在儀器中加入很多我們自己的設(shè)想，對(duì)儀器進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)特殊的分析能力，或者獲得特殊用途的信息，但是現(xiàn)在的儀器自動(dòng)化程度高，很難對(duì)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，可以滿足95%的用戶需求。但對(duì)于科學(xué)研究來說，我們還需要像原來那樣的老儀器，可以更改儀器的設(shè)計(jì)，滿足特殊的科研需求。”

　　電子能譜儀器逐漸成了材料研究當(dāng)中的日常分析工具

　　“目前，隨著電子能譜儀器技術(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(jì)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(yīng)用的開發(fā)空間還很大。” 朱永法談道。

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

　　“但在企業(yè),電子能譜儀器的應(yīng)用還很少，除了儀器本身價(jià)格較貴，主要由于我國(guó)的企業(yè)現(xiàn)在以模仿生產(chǎn)為主，原創(chuàng)性產(chǎn)品少，大多數(shù)企業(yè)只有生產(chǎn)加工能力，很少有研發(fā)能力。一般國(guó)外的大企業(yè)都設(shè)有研究院，就會(huì)配置這類儀器。不過隨著國(guó)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(dǎo)體、微電子、催化材料生產(chǎn)企業(yè)，已經(jīng)逐漸開始使用電子能譜儀器。”

　　“另外，在經(jīng)濟(jì)全球化的形勢(shì)下，我們的企業(yè)將會(huì)逐漸參與到國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，要想提高競(jìng)爭(zhēng)力，就需要研發(fā)創(chuàng)新，不能只是模仿，而創(chuàng)新沒有儀器的支持很難實(shí)現(xiàn)，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(dāng)中的需求會(huì)逐漸增大。”

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　　如何實(shí)現(xiàn)原位分析，是電子能譜儀器面臨的挑戰(zhàn)

　　電子能譜儀器經(jīng)過多年的發(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法滿足許多科研需求。朱永法認(rèn)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(xiàn)在還做不到，得到的數(shù)據(jù)結(jié)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(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，現(xiàn)在電子束其實(shí)也可以達(dá)到一個(gè)納米，但是束斑變小，能量降低，信號(hào)很難被檢測(cè)到。所以，將來檢測(cè)技術(shù)還需要不斷提高。當(dāng)然還有計(jì)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)問題就是現(xiàn)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(xiàn)在實(shí)際環(huán)境中，進(jìn)行原位觀察，這是電子能譜儀面臨的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在也有方法能夠?qū)崿F(xiàn)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，要想解決這一問題，需要原理上的突破，幾十年的時(shí)間也不一定能夠?qū)崿F(xiàn)。”

　　“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年開始至今，朱永法一直擔(dān)任清華大學(xué)研究生材料分析化學(xué)課程的教學(xué)工作，并出版專著兩部：《納米材料的分析表征和測(cè)試》和《材料分析化學(xué)》。他說：“科學(xué)研究的發(fā)展離不開儀器，現(xiàn)在很多的材料表面分析我們都可以借助電子能譜儀器來實(shí)現(xiàn)，而在以前只能靠推測(cè)。儀器技術(shù)的發(fā)展也往往促使科學(xué)研究出現(xiàn)新的生長(zhǎng)點(diǎn)或新的發(fā)展。比如沒有原子力顯微鏡，沒有STM，我們根本就不可能觀測(cè)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(xiàn)在是專業(yè)化服務(wù)的時(shí)代，讓專業(yè)的人做專業(yè)的事

　　朱永法說：“如果一個(gè)人只會(huì)按說明書來進(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(xiàn)象聯(lián)系起來說明問題，這是研究人員;如果能將特殊的現(xiàn)象用來解決特殊的問題，并把原理說清楚，那就是科學(xué)家。”

　　“所以對(duì)科研人員來說，更重要的是了解科學(xué)知識(shí)，提出好的科研思路和想法來解決問題。并不需要花費(fèi)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(xiàn)在是專業(yè)化服務(wù)的時(shí)代，很多事情專業(yè)的人來做往往比我們花的時(shí)間少，做的結(jié)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)來觀察，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(xiàn)某種特殊的需求，也可以找專業(yè)的廠商來做，關(guān)鍵是你要能夠提出自己的想法和需求。”

　　“因此現(xiàn)在教學(xué)中，我對(duì)學(xué)生的要求只是了解儀器的原理結(jié)構(gòu)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(xiàn)象聯(lián)系起來，來說明和解決材料研究當(dāng)中的問題。理解和應(yīng)用儀器提供的信息對(duì)科研人員來說最重要，并不是操作過程。”

　　“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(duì)同類儀器來說，再先進(jìn)的儀器它能提供的信息也是一樣的，并沒有本質(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(dāng)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?nèi)ソ馕?，在硬件方面問題不大了，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(jié)合能、化學(xué)位移、俄歇參數(shù)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(shù)、摻雜、晶胞位置、缺陷、晶粒大小、晶粒對(duì)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(duì)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(jù)說服力也不一定強(qiáng)。”

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

　　當(dāng)科研人員專心于科學(xué)研究的同時(shí)，我們對(duì)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，而作為一名儀器操作技術(shù)人員，就需要對(duì)儀器的組成，及硬件軟件問題非常清楚。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(duì)儀器要按規(guī)定的程序來操作，我們現(xiàn)在許多儀器出問題，就是因?yàn)闆]有按照規(guī)定的程序操作;最后要有基本的維護(hù)能力和故障判斷能力。”

　　“而且同樣對(duì)技術(shù)人員來說，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(jī)會(huì)接觸大量的樣品，如果能將樣品分類，了解每類樣品怎樣做得到的分析結(jié)果最好，慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，時(shí)間久了也會(huì)成為專家。如果不論什么樣品，都按同樣的程序來做，那我們就不需要專業(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?yàn)榇蠹抑霸趯W(xué)校里學(xué)的只是儀器原理，很少有機(jī)會(huì)接觸儀器;而且現(xiàn)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(zé)任心，要投入精力，不斷學(xué)習(xí)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(yàn)員在工作中不斷研究，發(fā)現(xiàn)了一些儀器不常用的功能，或者是根據(jù)儀器的物理原理，開發(fā)出了新的功能。分析測(cè)試中心現(xiàn)在有五六名技術(shù)人員，甚至都拿到了國(guó)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。”