為了持續推進半導體技術發展，科學家正在積極尋找能在更小空間運算的新材料，由清華大學劉昌樺副教授、鄭弘泰教授和邱博文教授組成的研究團隊，現在成功開發出新型「凡德瓦爾異質結構」，可解決目前未能有效以電操控方法達到能谷極化的學界難題，未來有望進一步利用此元件實現新半導體編碼技術、大量資料處存和量子運算，成為新一代積體電路核心。
半導體工業遵循摩爾定律發展已約半世紀，從個人電腦、智能電子產品、電動汽車、物聯網到 5G 通訊產業帶來許多科技變革。然而隨著摩爾定律發展逐漸逼近矽材料物理極限，加上科技對運算速度需求提升，科學家開始尋求能在更小空間進行運算的新材料，藉以延續摩爾定律。
能谷電子元件是利用材料獨特電子能帶結構，在特定條件下將資訊存儲在獨立電子能谷（energy valley）提供額外自由度，提升電路運算能力和數據儲存密度。
在這當中，單層過渡金屬二硫族化合物近年被視為發展能谷元件的理想半導體材料，然而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，對半導體產業來說，以光操控並非理想條件，因此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及半導體產業，仍是學術界極欲解決的一大難題。
▲ 研究團隊合影。
清華大學團隊在國科會計畫支持下，開發出凡德瓦爾異質結構，包含由新穎 Fe3GeTe2 二維層狀磁性材料、數原子厚的六方氮化硼二維絕緣體構成之磁穿隧電極，成功透過實驗和理論證實此穿隧電極能有效將自旋載子注入過渡金屬二硫族化合物（WSe2）的特定能谷、產生谷自旋極化現象，並初步驗證能谷電子元件在未來實際應用的可能性。
Fe3GeTe2 這種新材料具有多種優異特性，如：穩定的鐵磁特性、較大的磁各異向性、表面沒有多餘懸浮鍵干擾、不受基板約束、可利用凡得瓦力與其他二維層狀材料結合、以及特殊自旋極化能帶結構等，該團隊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，為未來量子元件發展奠定基礎。
團隊新論文已發表於《自然奈米科技》（Nature Nanotechnology）期刊。
（首圖來源：pixabay）
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