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突破「雙層二維半導體」應用限制 台師大團隊登上頂尖期刊《Nature》

台師大物理系教授藍彥文教授(左)、陸亭樺(右)、博士後楊弘偉(中)與成大博士林光儀博士團隊的研究成果,登上國際頂尖期刊《Nature》。台師大提供 zoomin
台師大物理系教授藍彥文教授(左)、陸亭樺(右)、博士後楊弘偉(中)與成大博士林光儀博士團隊的研究成果,登上國際頂尖期刊《Nature》。台師大提供
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【記者王良博/台北報導】在國科會支持下,台師大物理系教授藍彥文、陸亭樺與成大核心設施中心博士林光儀共同領導的研究團隊,成功以化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)精準控制二硫化鉬(MoS₂)雙層材料的原子堆疊方式,製備出具有特殊堆疊結構的雙層二硫化鉬,突破雙層二維半導體長期面臨的光電應用限制,研究成果發表於國際頂尖學術期刊《Nature》。

台師大及國科會今(2)日均發布新聞稿,介紹這項研究成果。

台師大說明,這項研究四位通訊作者分別為台師大教授藍彥文、陸亭樺、博士後研究員楊弘偉及成大林光儀,研究團隊透過材料成長、原子尺度結構鑑定、光譜分析、第一原理計算及角解析光電子能譜(ARPES)等多種技術交叉驗證,建立從「原子堆疊」到「電子能帶」再到「光學與谷自由度」的完整物理圖像。

國科會表示,二硫化鉬(MoS₂)是代表性的二維半導體材料,具有原子級厚度與良好的電子、光學特性,被視為後摩爾時代先進電子與光電元件的重要候選材料。

台師大物理系團隊帶領的研究成果,登上頂尖期刊《Nature》。台師大提供 zoomin
台師大物理系團隊帶領的研究成果,登上頂尖期刊《Nature》。台師大提供

單層二硫化鉬具有直接能隙,具有良好的光吸收與發光能力,然而,當材料堆疊成雙層時,常見的2H或3R堆疊會因層間作用改變電子能帶結構,使其轉為間接能隙,導致發光效率下降,成為雙層MoS₂發展光電與谷電子應用(valleytronic applications)的重要限制。

國科會指出,研究團隊發展兩階段化學氣相沉積成長方法,透過控制成長溫度與快速降溫,抑制成長中的原子重新排列為較穩定的3R堆疊,成功形成上下兩層高度對位的1H結構,由於不同堆疊方式會改變層間距離與原子軌域間的作用,進而影響電子能帶與光學性質,因此可在不改變材料成分的情況下,透過原子排列設計調控材料功能。 

研究結果顯示,1H雙層二硫化鉬不僅展現不同於傳統雙層結構的電子能帶,也具有更強的發光表現與明顯的谷極化特性,此結果顯示,原子層之間的相對排列不僅影響電子結構,也會進一步改變材料與光的交互作用,對未來二維半導體光電元件與谷電子元件的設計具有重要意義。 

台師大物理系教授藍彥文教授(右)、陸亭樺(左)、博士後楊弘偉(中)與成大博士林光儀博士團隊的研究成果,登上國際頂尖期刊《Nature》。台師大提供 zoomin
台師大物理系教授藍彥文教授(右)、陸亭樺(左)、博士後楊弘偉(中)與成大博士林光儀博士團隊的研究成果,登上國際頂尖期刊《Nature》。台師大提供

藍彥文表示,這項研究最重要的發現,是二維材料的性質不只取決於「用了什麼材料」,兩層原子「怎麼排列」也很重要,研究團隊透過直接CVD成長,精準控制雙層二硫化鉬的堆疊方式,在不改變材料成分的情況下,就能重新調整它的電子能帶,讓雙層材料呈現直接能隙、較強的發光與谷極化特性。

他也提到,未來若能更進一步掌握成長條件與原子排列之間的關係,原子堆疊就有機會成為設計新型二維半導體與量子材料的重要工具。

 

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# 台師大 # 雙層二維半導體 # 半導體 # 二硫化鉬
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