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用蚀刻改造二维材料物理特性 成大团队创新研发石墨烯的崭新结构
 

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

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半导体的开发与材料的物理特性紧密相连,但随着人工智慧与5G应用对元件在高功率、低延迟等性能的要求越来越高,材料的物理特性逐渐成为挑战甚至是限制。用人造方式来调整材料的原子间距与排列,就有可能赋予物质全新的物理特性,但这究竟可不可行?台湾的研究团队最新成果给了明确答案,带给元件开发更多设计选择的光明前景。

成大物理系暨前沿量子科技研究中心张景皓助理教授及陈则铭教授组成的研究团队,成功开发出利用蚀刻技术来调控原子排列的技术,成果已於今(2021)年2月刊登於《自然电子》。
成大物理系暨前沿量子科技研究中心张景皓助理教授及陈则铭教授组成的研究团队,成功开发出利用蚀刻技术来调控原子排列的技术,成果已於今(2021)年2月刊登於《自然电子》。

成功大学物理系暨前沿量子科技研究中心张景皓助理教授及陈则铭教授组成的研究团队,在科技部计画的长期支持下,成功开发出利用蚀刻技术来调控原子排列的技术,将原本单纯的石墨烯,转变为拥有奇异量子特性的崭新元件,这不仅有助於探索量子传输的基础物理问题,未来更将有机会应用在量子科技。这项卓越的研究成果已经於今(2021)年2月刊登於国际顶尖学术期刊《自然电子》(Nature Electronics)。

近年来科学家透过类似积木的概念,将石墨烯以错位或扭角方式堆叠起来,将石墨烯从零能隙半导体,改造成超导体、绝缘体,或赋予它具有像磁铁般的铁磁性。这方法看似简单,但因需将薄到仅有单原子层厚度的二维材料在特定精确角度扭角堆叠,在实际操作及未来产业应用上都有相当的难度。

这篇论文的第一作者何升晋博士,携手研究团队中的陈则铭教授,共同尝试另辟蹊径,想出利用半导体蚀刻技术来雕塑氮化硼基板表面的方法,来进行具有三维结构变化的堆叠,并与谢予强等团队成员开发出能进行原子级尺度雕刻的创新技术。

这项技术有别於以往,过去只是单纯将二维材料一层一层叠上去,但新技术能将二维材料的晶格结构及原子排列依照被雕刻氮化硼人造超晶格基板的结构进行拉伸或扭曲变形,进而操控材料的对称性破坏及电子运动等基本物理机制,如此一来,就能改变材料的物理特性。

该研究团队的另一项重要发现,是确立了两种新型态霍尔效应的发现。过去一百多年来,科学界普遍认为磁场是霍尔效应生成的必要条件,但成大的研究团队跳脱原有框架,在具有人造晶格结构的石墨烯量子元件上推翻了这个论点。

该团队表示,结合实验及理论,新的霍尔效应其存在完全不需任何磁场,已获得了证实。其中,带领团队进行理论模型建构及数值模拟的,是另一名论文第一作者同时亦是玉山青年学者的张景皓助理教授。此突破除了理解量子传输的基础科学问题外,对日後应用於量子电子元件及晶片也有着莫大的帮助。

科技部持续积极耕耘基础科学研究,以作为台湾科技创新与发展的强力後盾。未来在量子科学技术研发上也投入资源规划整合,秉持着世界顶尖的科技研发能力与人才培养,对於台湾量子科技发展建立良好的竞争力,并与全球科技研发完美接轨。

關鍵字: 石墨烯  半导体  超导体  科技部 
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