您知道在公布研究成果後的極短時間內，就能獲得諾貝爾獎的人是誰嗎？
您知道世界上首度利用「針」，來完成原子級顯微術的方法為何呢？
您知道導致如今廣泛被全世界的研究員拿來量測樣品的表面物理特性，並可獲得超高解析材料訊息的原型機台是什麼嗎？請讓我來告訴您，正確的答案是1986年的諾貝爾獎得主Gerd Bennig 及Heunrich Rohrer兩位研究員，他們於1982年在瑞士的IBM Zurich實驗室發表了掃描穿隧顯微儀(Scanning Tunneling Microscope, STM)──方法是使用一根「針」，一顆顆地觸摸道耳吞於十九世紀初提出的物質最小組成單元，除能獲得樣品表面的原子影像外，更大幅改進了表面物理學的研究思維與實驗方法，因此於短短四年後旋即獲獎，相較與他們一同獲獎的電子顯微鏡發明人Ernst Ruska，則苦等了近半個世紀才獲此殊榮。
這一切緣由，必須撥鐘向前，從顯微技術史開始談起。
顯微術，最早源於使用透鏡的「光學」方法。
光學顯微術(Optical Microscopy)於十七世紀迅速發展。當時，克卜勒、虎克、牛頓發展了光學透鏡及光學儀器的理論基礎及製作方法，從最早期的單放大鏡，到後來複顯微鏡等，光學顯微術儼然成為樣品細微結構的最佳觀察與檢測工具，而更在荷蘭科學家李文胡克的努力下臻至高峰，原因是他改良了顯微鏡的設計，提增其空間解析度達到2~3微米(mm)，使人們親眼目睹細胞、細菌，進而對生物及醫學上的發展有著莫大貢獻。
只是，當光波動理論現世後，人們發現光學顯微鏡無法提供無止盡的放大能力，來觀測出更微小的病毒、分子或原子，因光的波動現象，必然受制於某一極限。此一限制即稱之為〝繞射極限〞，由西元1873年德國物理學家Ernst Abbe提出，他認為光在遠場範圍中(遠大於一個光波長的距離)觀察物體時，必無法避免由光之波動性質造成的干涉與繞射效應，致使僅能獲得約半個光波長(λ/2)的空間解析度。其後Lord Rayleigh 則因此寫下了所謂的Rayleigh準則，宣佈光學透鏡的解析能力受到波長與數值孔徑的自然侷限，破滅了人類探尋更小世界的夢想。
於是，光學顯微術無奈地暫別顯微世界的競場。
接著便是「電子」顯微世代的到來。
二十世紀初期，德布羅依(De Broglie)提出物質二象性的構想，讓人們開始思索電子光學的可行性。西元1930~1960年，Max Knoll及Ernst Ruska兩位學者，開發出電子顯微鏡(Electron Microscopy, EM) 。其原理乃利用電場或磁場做成的電磁偏向線圈，使穿過的運動電子束偏折至中心主軸上，將電子束做一〝聚焦〞的動作，形成類似光學透鏡的幾何原理。由於電子束經由電壓加速後，其波動特性顯現而出，形成的波長也異常的小，相較於動輒使用數百奈米的可見光波長的光學顯微術，則能提供樣品更高的空間解析度。
只是電子顯微術發明的時點甚早，當時製造技術力有未逮，因此許多電磁透鏡造成的球面像差和雜訊干擾相當嚴重，理論上雖可達成原子級解析度，實際量測卻無法做到，這問題耗費電子儀器工業數十年的緩步修良改進，才終於逐漸克服。如今，藉精密儀器製造技術的助益，電子顯微術已能達到原、分子級的超高解析力，在材料科學上也有許多貢獻，成為現代科技極重要的檢測工具之一。
二十世紀末，其勢不遑多讓，且與逐然成熟的電子顯微術並肩而起的，便是「針」的顯微術。
原因是除了利用光與電子外，研究學者思索著顯現微觀世界的另一種方法：難道物體的外貌形狀一定要用眼睛去看才能清楚知曉嗎？盲人憑著精巧的雙手去觸摸物體，感受它們的軟硬質感及高低起伏，該也是一種間接得知物品表面形貌(Topography)的方式才對。
但想也知道，我們怎能用「手」摸到細菌、病毒或原子呢？
首先，我們很容易能夠理解一個問題：大象的腳踩過柏油地，牠不會察覺到路面存在無數僅幾毫米小的窟窿；人類的手指撫摸過磚片，也不會察覺到上頭有些肉眼看不到的細微刮痕。之所以會如此，是在於象腳與人的手指，與欲感受到的窟窿與刮痕表面的細微起伏，尺度相差太大了(正確說是大太多了)，前者是米與毫米之差，後者則是毫米與微米之距，當然摸不出什麼名堂來！那就好比用普通文具尺妄想去量測小於一毫米的東西大小，是沒有辦法的。
──但是，人的手指卻可以摸出柏油地上的小窟窿，那是因為量測者的尺度(指尖)與被量測的物體(窟窿)皆是毫米等級，所以具有約同等級空間差異的分辨能力。若把尺度再縮小，人類想去了解磚片表面的細微刮傷，用手指就不夠小了，但我們可以用比手指更精細的東西，如筆尖、刀鋒，在那表面上〝輕輕地〞觸碰而過，則能更敏銳地感覺到物體表面的起伏變化！
經由這簡單的概念，讓我們了解所謂「針」的顯微術，就是把用手觸摸巨觀世界的觀念給大大縮小，改成用極細微的尖針去觸摸微觀世界的一切。理所當然，當製程技術達到能製作出針尖細如原子的尺級時，他們也能成功地「摸」到原子的形狀，並對世人證實了原子的存在。
西元1982年，Gerd Bennig 及Heunrich Rohrer於瑞士的IBM Zurich實驗室發表了掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy, STM)，並緊接於1986提出原子力顯微術(Atomic Force Microscope, AFM)。其原理乃利用一非常尖之細針(針尖只有一個原子大小)，配合周邊元件：壓電陶瓷、光學偵測器、放大電路等…維持針尖與樣品表面距離的高度回饋控制。經此機制來獲得樣品表面細微之相對幾何影像，並具備原子尺度之高空間解析度。
這牽涉到兩項關鍵技術，一是為了達成原子級解析力，要如何能製作出銳利到「尖端只有一顆原子」的一根針呢？二則是，既然針尖若此鋒利，那麼必然也相當脆弱易斷，如何完美控制「針尖與樣品表面」的距離恆定，來避免觸碰樣品表面時針不會斷裂？
前者，乃電化學技術範疇。方法甚多，如今常見的製作方式是：研究員們將鎢絲浸入KOH或NaOH的水溶液中當陽極，以石墨為陰極；或者以NaNo2水溶液，鉑為陰極，予以適當的偏壓(~30V)後，將產生電化學腐蝕反應，令溶液產生泡沫，探針發出熾熱光芒。腐蝕到熱光消失後即製造完成。經由化學蝕刻出極度尖銳的針尖，僅一顆原子大小。
後者，則牽涉到幾項物理原理。
首先被開發出來的掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy, STM)藉由「量子穿隧效應」，來精密控制探針與樣品表面的距離。所謂穿隧效應，是廿世紀初量子力學前身──薛丁格所提出的波動力學──發現物質波動具有穿越能量障礙的能力。這與古典力學是相斥的，古典力學視物質為粒子組成，因此動能低於位能的粒子是不可能越過能量的障礙到達另一邊，除非大於位能。但波動力學發現，物質一旦被視為波動，就有機會以波的形式穿越位能屏障。
波動穿隧的過程中，能量呈指數衰減，也就是減弱的速度極快，因此亦可視為敏感度極佳。STM控制探針與樣品表面距離來避免碰斷探針的方法，就是使探針與樣品間，施予一偏壓，本來由於探針與樣品沒有接觸，所以無法導通電流，可是當探針與樣品接近到非常近時，電子將有機會穿越間隙空間的障礙，形成量子穿隧而導通電流，此電流即稱為穿隧電流。更由於此電流的強度與距離呈指數衰減，意即距離稍有些許改變就會產生很大的電流差異，因此非常敏感，在軸向的空間解析度，可以小於原子級。
但能偵測到如此小的電流，又要如何將此訊號對應到空間的移動呢？
回饋控制的方法，是利用壓電材料完成。所謂壓電材料，意即可將電能轉換成形變，當我們輸入一壓電材料特定電壓，它將以力學方式輸出，相反亦如是。
也就是說，當探針慢慢接近樣品，一量測到有電子穿隧時，便立刻停止再下降探針，接著固定一適當的穿隧電流，將之餵回控制器並維持數值。若因樣品表面的細微起伏導致探針與樣品表面距離改變，進而影響到穿隧電流值時，壓電控制器將會補償性地把探針精密地上提或下降，來維持探針與樣品表面的距離恆定。
為了讓空間的位能障礙能夠降低，使穿隧電流範圍亦遠亦強，及避免氣體分子的干擾，STM因此需在真空環境下運作，才能取得樣品表面的原子圖貌。並且，由於是量測穿隧電流訊號，所以針與樣品都必須是金屬或半導體，這大大限制了該顯微技術所能量測樣品種類的廣度，許多生物及介電樣品都無法藉之顯微，應用性大打折扣。
於是1986年兩位科學家提出原子力顯微術(Atomic Force Microscope, AFM)來補足這個問題。
也就是讓樣品可為非導體，環境可非真空。
初始的構想很單純，即是在STM探針與非導體樣品的中間，多安插入一根具有導性懸臂的鑽石探針，其針尖與樣品表面的力學作用，會導致該懸臂的振盪幅度有所改變，這變化經由STM探測，誠實反應出非導體樣品的表面形貌(Topography)。我們可以想像成：替STM金屬針尖，加裝了一個非導體的針套。
這技術很快被改進，如今常見的方式是利用光學雷射聚焦於連結探針的懸臂上，經由四相偵測器，來量測探針與樣品表面的原子力作用後，懸臂振幅改變而形成的光槓桿變化。此光學偏折量測法，可以使探針帶動懸臂所產生的些微彎曲，被放大百至千倍，使之容易分辨與解析，而能探得極微小的訊號差異。
簡單地說，探針與樣品表面間的力場接觸，會造生原子力，這種作用力會導致探針的懸臂振幅有所改變，此變化經由光學放大法來量測得到，進而得知樣品表面形貌。
而所謂原子力，其實是多種力複合而成，基本上，探針與樣品表面非常遠時，並不具顯著作用力，得靠近到奈米級的特定距離後，才會甫生明顯的吸引力，若再靠近的話，吸引力則慢慢臻至極限，反轉化成斥力，原因是針尖與樣品表面本受到凡得瓦及電、離子核的吸引力，逐漸被強大的離子核庫倫相斥力所取代。
於是，我們定義不同的力場區域，為不同的AFM工作模式。
力場將臻最大吸引力前，我們定義為「非接觸式」；而正好轉化成排斥力時，我們則定義為「接觸式」。如此定義目的在於，針對不同材質的樣品，需有適當的原子力強度。比如說軟性材質或生物樣品，需盡量用非接觸式，以免損壞刮傷樣品表面；堅硬並且起伏大的粗糙樣品，則用具較強斥力的接觸式較能獲得清晰影像。除此之外，如今相當常使用的「輕敲式」，力場強度則介在上述其中，採用不停振盪懸臂，逐點敲擊樣品表面來量測的一種方式。
有了STM及AFM的技術，原子顯微的世界，不再遙不可及。
但是人類的創意，又豈能僅限如此？
科技一向是冪級進步，人類肩立著肩眺望更遠的夢想，緊接著十多年來是探針顯微技術蓬勃發展的時期，科學家不甘只探測到微小的表面形貌，他們更希望能藉此技術量測到微觀世界的所有物理特性：聲、光、力、電、熱、磁等等…。於是，以STM及AFM為基礎，一系列的探針顯微術出現了，統稱之為探針顯微技術SPM(Scanning Probe Microscope)。
其原理是更改既有的探針材質，讓探針帶有磁性、電性或是光波導等特性，於是便可在逐點量測到樣品表面形貌時，同步取得該點的特定物理特性。SPM家族常見的，有利用磁性探針來同步量測磁性物質的MFM(Magnetic Force Microscope)，以及量測電性的EFM(Electrostatic Force Microscope)，有利用光纖探針來量測近場光學訊號的SNOM(Scanning Near-field Optical Microscope)，也有量測侷域熱訊號的SThM(Scanning Thermal Microscope)，更有專司量測摩擦力、導電性、電化學性質、離子流等的相關設計，為了研究需要，人類創意無限拓展。
「針」的顯微術，除了可量測樣品表面形貌、攫取各種表面物理特性，其實亦可用來搬運及操控原子──精密控制針尖的移動與力道，即可在一塊基板上玩弄原子的排列。人類探究至小世界向來不遺餘力，那是恆久以來的大夢。如今在利用「針」的方法下，不但已可一覽至小世界的疆域，更能自由於其上鋤土耕稼，為未來的豐收種下雛苗、植入信念。目前，世界各國也競相展示以原子排列的圖案及文字，歡欣鼓舞地宣告原子操控時代的來臨。
我們因此擁有了更寬廣的視野。
微觀世界是巧妙的，因為那微粒組成了世間包含你我的一切，「針」顯微術讓我們見識到上帝創造這世界的美麗。但在驚嘆感動之餘，也讓我們思省，除了拿來縫紉、穿孔之外，誰能料想到「針」能夠如此應用？
最美麗的，其實是充滿創意的人心。科技以人為本。
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