台灣團隊提出嶄新石墨烯結構,確定 2 種新型態霍爾效應

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 31 日 15:47 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


神奇材料石墨烯樣貌多變,過去科學家常利用錯位或扭角方式將石墨烯變成超導體、絕緣體或使其具有鐵磁性,只不過這些技術難度也高。最近成功大學團隊提出一種嶄新石墨烯結構,先透過蝕刻技術雕塑氮化硼基板,再將石墨烯原子層鋪在基板表面,如此便能讓石墨烯依著基板結構更方便拉伸與扭曲。

此外,團隊在研究中還帶來另一項基礎物理重大發現:霍爾效應不用磁場也能生成。

我們知道鑽石與石墨是由一模一樣的元素構成,但前者是目前已知最硬的天然物質,後者就是鉛筆筆芯,一折即斷。導致兩者特性差異如此之大的原因在於內部原子排列方式不同,這也是從石墨中分離出單原子層二維材料石墨烯具有多元應用的秘密。

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,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體、或像磁鐵一樣具有鐵磁性,比如 2018 年有團隊找到 1.1 度「魔角」(magic angle),當將 2 層石墨烯以 1.1 度偏轉夾角疊起來並參雜電子後,居然能讓材料從絕緣體瞬間轉換成超導體。

雖然錯位或扭角方法聽起來簡單,但由於需將薄到僅單原子層厚的二維材料在特定精確角度扭角堆疊(做個比較,1 根頭髮的厚度是單原子厚度 7 萬倍),因此產業應用仍有不小挑戰。

▲ 單原子層石墨烯材料堆疊。(Source:成大團隊)

為了讓製程簡單點,成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心陳則銘教授、張景皓助理教授團隊想出其他方法,先利用半導體常見的蝕刻技術雕塑氮化硼基板成三維結構充當「骨架」,再直接將石墨烯鋪在基板表面,有別於以往必須一層一層堆疊石墨烯,新技術能更任意將石墨烯材料的原子排列依著氮化硼基板結構進行拉伸或變形。

除了想出上述新方法,研究團隊還帶來另一項重大發現,有別於以往科學界認為霍爾效應一定要伴隨磁場生成,研究人員確定有 2 種新型態霍爾效應不需要磁場。

霍爾效應於電子感測器等實際日常應用中是相當重要的現象,過去 140 年來,磁場一直被認為是產生霍爾效應的必要條件,但團隊在此次石墨烯量子元件上推翻此一論點,證明「非線性異常霍爾效應」與「偽磁場霍爾效應」只需施加電壓就能讓電子轉彎,可運用於晶片整流、倍頻、低耗能量子電子(自旋)元件等。

這項基礎物理發現有助於未來開發新一代晶片。新論文發表在《自然電子》(Nature Electronics)。

(首圖來源:科技新報)

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