美國地大物博,山川壯麗,而又交通發達,是旅遊勝地。
到美國不久,學會了開車,不久以一百美元買了第一部二手車,免不了出毛病,但修復並不昂貴,同時也累積了一些護車知識與經驗。最大的好處,是舊金山及柏克萊附近的海濱、公園、花園、博物館以及藝文表演或展覽,都在活動範圍之內,相當的豐富課餘生活。
最讓人難忘的還是在假期的幾次長程旅遊,由於這是當時一般留學生的老爺車難以承擔的任務,通常是與同伴們合租一部較新的車上路,大家輪流駕駛,或露營,或住較便宜的青年旅館,以頗經濟的方式幾乎遍遊美國西部地區大都市及國家公園,北至接近美加邊界的加拿大溫哥華 (Vancouver) 市,南至美墨邊境的墨西哥提華納 (Tijuana) 城,大大增廣見聞,也遭逢一籮筐的趣事。
十三、博士論文研究
在研究所讀博士,重點在論文研究。兩位指導教授在最初並沒有指定特別的研究題目,而我在學習高電壓電鏡的過程中,了解與一般中電壓電鏡不同的是繞射電子束多束效應很強,影響影像解讀,必須修正平常使用的兩電子束成像公式,因此要解多電子束聯立微分方程式。為此我到數學系修了兩門課,一是五學分的計算機導論,一是三學分的數值分析。
計算機導論最主要是學計算機語言 Fortran 及寫程式,發現如有邏輯觀念,難度不高,只是寫應用程式時要用打孔卡片,打錯一個字母就無法運作,印象最深刻的是有一次把tion打成同音的sion,檢察了多遍才找出錯誤,已花了大半天時間。
在使用電鏡上,通過一般電鏡使用訓練後,開始使用高六點五倍電壓的 650 keV HVTEM,整個設備約有兩層樓高,很是壯觀,也是熱門訪客要求參觀的稀有設備。只是當時高壓電子加速器的技術還不夠成熟,使用了一段時間後,因靜電累績會放電,頓時雷聲與電光交加。可想像的情境是,如在電鏡暗室中在跟前打雷,很是嚇人。
經過不同嘗試,最後選定利用HVTEM分析單晶矽的缺陷,包括線缺陷差排 (dislocation) 與面缺陷疊差 (stacking fault),也是研究矽材料之始,當時並每有意識到矽基半導體產業的蓬勃發展,更沒有想到會有矽谷的誕生。
HVTEM 由於電子波長較短,影像分辨率高,對試片穿透力強,在電鏡下觀察到差排會分解為兩根部分差排 (partial dislocation),中間會形成疊差,而由差排理論,可算出疊差能;同時對疊差而言,有外插 (extrinsic)型與內缺 (intrinsic) 型,高能量電子照射下,會由繞射效應顯現不同的對比,有潛力變成一個辨試疊差型態的新方法。
實驗結果顯示昂貴的 HVTEM價值,但須要理論的驗證,才算完整。這時就得寫程式解材料多電子束繞射聯立微分方程式,作數值分析,並模擬結果。由於當時仍是電腦主機時代,寫程式要打兩大盒的電腦卡片。因此跑程式必須要抱兩大盒卡片到校園後山勞倫斯柏克萊實驗室 (Lawrence Berkeley Laboratory) 計算機中心利用主機做運算,又因為收費價差原因,只有在夜深時使用,再加上優先順序較低,要排隊執行計算,得到較滿意計算結果,下山時,往往東方已既白。
將結果以圖像模擬展示出來,當時是以印表機在同一點重複打印一到八次顯現。讓人興奮的是在不同繞射條件下,果然呈現出不同型態疊差對比的差異,問題是與實驗結果剛好相反,困擾了相當一陣子,到某天在校園裡看電影時,突然靈光一閃,原來忽略了一個 2π 的像差,問題也迎刃而解,終身難忘。
在分析疊差影像決定疊差能時,菲力可夫教授建議利用有效位能 (Pseudopotential) 方法來計算,有效位能是一種被用作簡化描述複雜系統的近似方法,在固體量子理論課程中曾修習過。這時同樣需要寫程式做計算,幸喜得到結果與實驗結果相近,代表有效位能的新應用。研究結果發表於有相當分量的《哲學雜誌》(Philosophical Magazine) ,是英文出版的最古老的科學期刊之一。來自英國的湯瑪斯教授很欣慰地表示,《哲學雜誌》以排外出名,我們的論文得以被接受,相當難得。後來我們又用同樣方法,計算出與矽元素同族的鍺元素疊差能,結果也發表於《哲學雜誌》中。
當時我已決定未來到大學任教,而通常必須經過博士後研究階段,剛好湯師的朋友加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 材料系的阿達爾 (Alan Ardell) 教授在徵求博士後研究員,經過面談就迅速決定要雇用我。 這時一位在柏克萊材料系的教授也主動邀清我到他研究組工作。如果考慮以後任教的前景,選擇留在柏克萊可能是優選,但基於「言而有信」的原則,最後決定到 UCLA任職,成為我一生最重要的決定之一。
阿德爾教授在我於一九七四年七月一日到UCLA 報到時,剛獲得美國科學基金會的一項關於鎳基材料的輻射損傷 (Radiation damage) 研究計畫支持,我的工作是協助建造粒子照射材料工作站、從事粒子照射材料及分析材料輻射損傷研究。
美國在一九七零年代仍是核能發電領先國。核電廠中核反應器在運作時,產生的中子與反應器的金屬材料外殼作用,造成輻射損傷,甚至腫脹 (Swelling),會危及核電廠安全,因此研究核能材料的輻射損傷是一個重要而實用的課題。
由於中子與材料作用較弱,因此常用其他粒子照射來做加速模擬研究,我用過的粒子包括氮離子與鎳離子,材料則為各種鎳基材料,如純鎳、鎳-鋁合金與鎳-鈦合金。
粒子照射需要用到加速器,在研究規劃時即接洽好使用加州州立大學洛杉磯分校 (California State University, Los Angeles, CSULA) 物理系的 4 MeV 加速器。該校位於洛杉磯的東部,與 UCLA 車程約需半小時,有高速公路相通,還算方便。
CSULA 的加速器,只能用於加速氣體原子核,在考慮與材料作用強度以及惰性下,選擇使用氮粒子照射;同時因得知遠在芝加哥的阿崗國立研究所 (Argonne National Laboratory) 內 3.5 MeV 加速器可產生鎳粒子,也曾偕試片遠赴芝加哥,進行鎳粒子照射的實驗。
十七、粒子照射工作站
接應 CSULA 加速器產生的粒子,須自己製備一工作站。主體是一個十字 型的真空腔,一端可接加速器,另一端則是試片基座,上接鉛玻璃覆蓋的觀察口 (Viewport) ,下連真空系統。我到 UCLA後,最先的工作就是設計試片基座。
由於模擬實驗需要將試片加熱到一定溫度,所以試片基座內部須焊有加熱線圈,另一方面,因試片經高能量粒子照射後表面會升溫,為避免過熱,又須在接近表面設計冷卻水管線,設計完畢後,各部件交由 UCLA 機械工廠以及外包廠商製作,再與工作站的真空系統整合,這時在柏克萊使用電鏡學到的真空系統實務發揮了大用。
粒子照射工作站在UCLA研究室測試完成後,由於體積龐大,需雇一卡車運送到 CSULA。工作站裝有推輪,所以在排定使用時間,可移動到加速器特定管線前上線。
在 CSULA 進行實驗期間,曾因工作站可達真空狀態不理想,歸因於內壁遭到汙染,決定清洗內壁,但其後真空居高不下,想盡可能原因,設法改善都無效果,實驗也必須停擺,困擾了相當一段時間,只到有一天早上,接到 Wes 電話,真空突然達到可用範圍,有如喜從天降,也了解到清洗泵浦時,內壁吸附氣體,需要一段時間才能抽乾。這種經驗對我到清華工作後,歷年使用到多種真空設備極為珍貴。
UCLA 材料系的設備中,有一 120 KeV 的穿透式電鏡,雖不如在柏克萊的先進電鏡設備犀利,但頗實用。同時由於電鏡是由日本電子 (JEOL) 製造,也因此得與日本電子製造的各型電鏡結緣,長達五十年之久。
經過照射的鎳基試片,會產生各種晶格缺陷,而且非常多樣化,對電鏡專家而言,可謂一片沃土,是難得觀察與分析的機會。這些缺陷除常見的一維缺陷差排與二維缺陷疊差外,還包括單層差排環與多層差排環。另有三維缺陷空洞、樹枝狀成長空洞以及空洞的有序排列等,將各種缺陷看透透,同時累積了分析經驗,對以後教學研究,有很大的幫助。
由於研究須從安裝照射粒子設備開始,有具體成果發表,約在一年半後。隨後共發表了五篇相關論文,有相當分量,算是交出不錯的成績單,可謂功不唐捐。
二十、傳奇籃球教練伍登與拜登
在 UCLA時,仍維持從大學時代養成的慢跑習慣,當時多在中午時到大操場慢跑。通常有多人或順時鐘或反時鐘跑步,而常與我反向跑步的一人是大名鼎鼎的傳奇教練 John Wooden (約翰伍登)。他人很和善,擦身而過時會微笑並打招呼。
伍登曾帶領 UCLA 男子籃球隊拿過十次美國國家大學體育協會(National Collegiate Athletic Association, NCAA)冠軍,我到 UCLA時,剛好是他退休前最後一個球季,在不被看好下,球隊將士用命,力拼為他贏得第十次冠軍。他於二零一零年以百歲高齡辭世,我在清華畢業典禮時曾引他「讓每一天都成為你的傑作」 (Make each day your masterpiece) 名言,勉勵畢業生。
在 UCLA見過的另一個名人是後來擔任美國總統的拜登 (Joseph Biden)。當年他是以新進參議員的身分訪問校園。約在中午時分,在戶外對著約數十位聽眾演講。由於拜登當時知名度並不高,我只在到餐廳途中,稍稍駐足聽了幾句,算是曾見過面。
在 UCLA 來往比較密切的是一位材料系退休教授 Daniel Rosenberg (Dan)。他是猶太裔,博學多聞,可謂文藝復興人。我因旁聽他講西方文化的課程而與他熟識,當時他獨居 UCLA 附近而有一乾女兒不是來看顧,我曾多次與他一起聽音樂會或歌劇。
另一位是材料系的華裔教收余瑞礎,他原在航太公司工作多年,才轉任教職。見面時總說工作很辛苦,但以有兩個表現優異的兒子為榮。他在一九八零年後期,曾到清華訪問半年,有趣的是話題依舊。
二十二、堂侄市長
在洛杉磯的親人有一同鄉遠親堂兄陳聰一家。堂伯陳衡與家父情同兄弟,來台後也對我家照顧有加。堂伯曾任中油總公司人事科科長,家住士林蔣公官邸附近,幼時家母每年會攜子女一起到其家作客,每每受到熱情款待,子女也都與堂兄姊情同近親。
堂兄於一九六零年代末期移民美國,曾在洛杉磯開餐館,後又經營加油站兼修車廠,有一身修車本領。我到洛杉磯後與他常相往來,當時他住在離洛杉磯國際機場稍南的多倫斯 (Torrance) 市,三個子女都還小,長大後各有一片天。尤其次子陳光豪 (George Chen) 於 2022 年當選多倫斯市市長,讓我有了一位堂侄市長。多倫斯市在 2023 年與台南市結為姐妹市,光豪曾多次來台訪問,每次都會到新竹與我相聚。
在洛杉磯期間,曾與堂兄一家同遊 Redondo 海灘, 印象特別深刻的是現買現煮的帝王蟹 一磅僅 65美分,鮮美異常。
在洛杉磯約兩年後,開始找工作。適逢家母旅美約一年,於民國六十五年五月經洛杉磯返台,原擬處理在台事務後,轉道回大陸與家父團聚,不料於七月初舊病復發,住進台北榮民總醫院後,不久家人即接到病危通知,我等姊弟約於七月中匆匆分別趕回,初期似有好轉,依賴呼吸器的時間逐漸縮短,正當大家期待不日可自行呼吸之際,又急轉直下,在西醫表示無法治癒後,雖然嘗試過另類療法,終告無效,從發病到溘然長逝僅短短四個月。
為照顧病中母親,大姊決定留台在榮總全程照顧,家兄在新竹清華大學電機系覓得教職,就近照應。我與二姊則於八月中返美繼續工作,由於簽證關係,無法參加家母告別式,甚感椎心刺骨。
家母去世後,家兄在清華工作告一段落,須要回美與妻兒團聚,與我們一起來台的姨媽雖然可由家住台中的么舅照顧,但讓他在老年必須適應新環境,總覺不忍,同時感受到人生無常,覺得必須在留美或返台掙扎間作個抉擇,因此決定返台接棒,剛好清華材料系也需人孔急,遂於民國六十六年八月束裝返國任教,不意就此在清華落地生根,一晃接近五十年。




































