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用蝕刻改造二維材料物理特性 成大團隊創新研發石墨烯新結構
 

【CTIMES/SmartAuto 吳雅婷 報導】   2021年03月31日 星期三

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半導體的開發與材料的物理特性緊密相連,但隨著人工智慧與5G應用對元件高功率、低功耗等性能的要求越來越高,材料的物理特性越來越常成為設計上的限制。用人造方式來調整材料的原子間距與排列,就有可能賦予物質全新的物理特性,但這究竟可不可行?台灣的研究團隊最新成果給了明確答案,帶給元件開發更多設計選擇的光明前景。

成大物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授及陳則銘教授組成的研究團隊,成功開發出利用蝕刻技術來調控原子排列的技術,成果已於今(2021)年2月刊登於《自然電子》。
成大物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授及陳則銘教授組成的研究團隊,成功開發出利用蝕刻技術來調控原子排列的技術,成果已於今(2021)年2月刊登於《自然電子》。

成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授及陳則銘教授組成的研究團隊,在科技部計畫的長期支持下,成功開發出利用蝕刻技術來調控原子排列的技術,將原本單純的石墨烯,轉變為擁有奇異量子特性的嶄新元件,這不僅有助於探索量子傳輸的基礎物理問題,未來更將有機會應用在量子科技。這項卓越的研究成果已經於今(2021)年2月刊登於國際頂尖學術期刊《自然電子》(Nature Electronics)。

近年來科學家透過類似積木的概念,將石墨烯以錯位或扭角方式堆疊起來,將石墨烯從零能隙半導體,改造成超導體、絕緣體,或賦予它具有像磁鐵般的鐵磁性。這方法看似簡單,但因需將薄到僅有單原子層厚度的二維材料在特定精確角度扭角堆疊,在實際操作及未來產業應用上都有相當的難度。

這篇論文的第一作者何昇晉博士,攜手研究團隊的陳則銘教授,嘗試另闢蹊徑,想出利用半導體蝕刻技術來雕塑氮化硼基板表面的方法,來進行具有三維結構變化的堆疊,並與謝予強等團隊成員開發出能進行原子級尺度雕刻的創新技術。

這項技術有別於以往,過去只是單純將二維材料一層一層疊上去,但新技術能將二維材料的晶格結構及原子排列,依照被雕刻氮化硼人造超晶格基板的結構,進行拉伸或扭曲變形,進而操控材料的對稱性破壞及電子運動等基本物理機制,如此一來,就能改變材料的物理特性。

該研究團隊的另一項重要發現,是確立了兩種新型態霍爾效應的發現。過去一百多年來,科學界普遍認為磁場是霍爾效應生成的必要條件,但成大的研究團隊跳脫原有框架,在具有人造晶格結構的石墨烯量子元件上推翻了這個論點。

結合實驗及理論,該團隊證實了新的霍爾效應,其存在完全不需任何磁場。而帶領團隊進行理論模型建構及數值模擬的是另一名論文第一作者張景皓助理教授,他同時也是玉山青年學者。

這項突破除了能夠理解量子傳輸的基礎科學問題,對日後的量子電子元件及晶片應用也有莫大的助益。

科技部表示會持續積極耕耘基礎科學研究,以作為台灣科技創新與發展的強力後盾,未來在量子科學技術研發上也投入資源規劃整合,秉持培養更多世界頂尖的科技研發能力與人才,建立台灣量子科技發展的良好競爭力,並與全球科技研發自然接軌。

關鍵字: 石墨烯  半導體  超導體  科技部 
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