發稿日期：111年08月24日
自然科學及永續研究發展處 聯絡人：郭廷洋助理研究員 E-mail：[email protected]
在國家科學及技術委員會經費支持下，清華大學劉昌樺副教授、鄭弘泰教授和邱博文教授所組成之研究團隊，成功開發出新型的凡德瓦爾異質結構，可應用於能谷電子元件上，解決了目前未能有效的以電操控方法來達到能谷極化的學界難題，未來有望進一步利用此元件來實現新的半導體編碼技術、大量資料處存和量子運算，成為新一代積體電路的核心，有助持續提升我國半導體國際競爭力。本研究成果已於今年5月正式發表於國際知名學術期刊Nature Nanotechnology(自然奈米科技)上 ，並獲選為期刊7月份封面。
半導體工業循著摩爾定律發展約半個世紀，為科技和社會帶來許多變革，從個人電腦、智能電子產品、電動汽車、物聯網、到5G通訊產業等等都與此有關。然而，隨著科技對運算速度需求的提升以及摩爾定律發展逐漸逼近矽材料的物理極限，目前人們正積極探索如何可以在更小空間中進行運算的新材料，並利用材料的獨特性質，提供的額外自由度，在相同空間內計算更多的位元，藉以延續摩爾定律。
能谷電子元件是利用材料獨特的電子能帶結構，在特定條件下，可以將資訊存儲在獨立不同的電子能谷(energy valley)，透過提供的額外自由度，提升電路之運算能力和數據儲存密度，藉以延續摩爾定律。單層過渡金屬二硫族化合物在近年來被視為發展能谷元件的理想半導體材料，目前學術界只能利用激發光的圓偏振特性來有效達到能谷自旋極化現象。然而，用光操控對半導體產業並不容易，如何找出有效的電操控方法來調控材料能谷極化，並進一步應用在谷電子元件上以及半導體產業中，仍是目前學術界極欲解決的一大難題。
研究團隊在國家科學及技術委員會和清華大學支持下，共同開發出新型的凡德瓦爾異質結構，結構包含了由新穎的二維層狀磁性材料(Fe3GeTe2)和數原子厚的二維絕緣體(六方氮化硼)所構成的磁穿隧電極，利用Fe3GeTe2此材料的優異特性(包含低維度層狀磁性材料具有大的磁各異向性、表面沒有多餘懸浮鍵干擾、不受基板約束，且可利用凡得瓦力與其他二維材料結合，以及特殊自旋極化能帶結構等)，成功透過實驗和理論證實此穿隧電極可有效地將自旋載子注入過渡金屬二硫族化合物的特定能谷中，產生能谷極化並初步驗證了能谷電子元件在未來能被實際應用的可能性。
此外，值得注意的是單層二維磁性材料自2017年首度被證明可以單獨存在後，二維磁性材料便成為新的研究熱點，過去數年間許多團隊揭發磁性在原子級別下的特殊物理現象，以及二維磁性材料與其他二維材料堆疊所產生的特殊界面耦合效應，然而目前研究多半在探索二維磁性材料的基本物理性質，其應用端仍鮮少被探討。而我們的研究工作首度將二維鐵磁性材料應用在能谷電子元件和磁光電元件上，這成果不但說明了此材料在元件應用上的新契機，也可為未來量子元件發展奠定基礎。
研究成果論文連結:
https://www.nature.com/articles/s41565-022-01115-2
合影為清大鄭弘泰教授(左2)、國科會自然處羅夢凡處長(左3)、清大劉昌樺副教授(右3)
