台灣研究團隊雕塑石墨烯嶄新電子結構

作者 : MOST

成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心利用半導體蝕刻技術調控原子排列,成功地將原本單純的石墨烯轉變為擁有奇異量子特性的嶄新電子元件...

人類能否藉由人造方式調整物質材料的原子間距離與排列,並進而賦予它全新的物理特性?

在科技部(MOST)計畫的支持下,成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心助理教授張景皓及教授陳則銘組成的研究團隊,成功開發出利用半導體蝕刻技術來調控原子排列,將原本單純的石墨烯轉變為擁有奇異量子特性的嶄新電子元件,不僅有助於探索量子傳輸的基礎物理科學問題,未來也可望有機會應用於量子科技。

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,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體,或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。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,其實際操作及未來產業應用都有著不小的難度與挑戰。

該研究論文的第一作者何昇晉與陳則銘試著另闢蹊徑,構想出利用半導體蝕刻技術來雕塑氮化硼基板表面,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新穎技術。有別於以往只是單純將二維材料一層一層疊上去。

這個新技術能將二維材料的晶格結構(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,以此操控其對稱性破壞及電子運動等基本物理機制,進而改變物質材料之物理特性。

研究團隊另一項重要發現,在於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,研究團隊在具有人造晶格結構的石墨烯量子元件上,跳脫原有框架、推翻了此一論點,結合實驗及理論證實新的霍爾效應其存在完全不需任何磁場。

其中,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同時亦是玉山青年學者的張景皓。此突破除了理解量子傳輸的基礎科學問題外,對日後應用於量子電子元件及晶片也有著莫大的幫助。

這項研究成果已於今(2021)年2月刊登於國際頂尖學術期刊《自然電子》(Nature Electronics)。

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