【研究成果】成大研究團隊雕塑石墨烯結構 發現零磁場之霍爾效應

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)


人造雙層石磨烯皺褶結構示意圖,其中灰色部分為氮化硼基板,雙層石墨烯在上方隨著基板形變形成皺褶結構。

人類是否能藉由人造方式調整物質材料的原子間距離與排列,進而賦予它全新的物理特性呢?由成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授與陳則銘教授組成的研究團隊,成功利用半導體產業常用的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,未來將有機會應用在量子科技之中。卓越的研究成果刊登於今年2月的國際頂尖學術期刊《自然電子》(Nature Electronics)上。

石墨烯(graphene)是碳的一種特殊形式,僅有一層原子厚,在2004年以機械撥離法被實現,成為第一個天然二維材料。石墨烯每個碳原子連接三個鄰邊原子,形成六邊形的平面蜂巢網格,由於其結構,石墨烯展現出許多令人驚訝的性質,如絕佳的導電性、透光性,以及機械強度等,使它被美名為「神奇材料(wonder material)」,並被視為未來電子設備、高科技產業應用的一個候選材料。

近年來科學家們常透過類似積木的概念,將石墨烯以錯位或扭角的方式相互堆疊起來,藉此改變石墨烯能帶結構,將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體、或如磁鐵般具有鐵磁性。2018年的一項實驗成果中發現,如果將兩層石墨烯以1.1° 偏轉夾角疊起來,會呈現超導性,後來這個角度被稱為「魔角」。這個堆疊方法雖然看起來簡單,但由於石墨烯只有單層原子厚,實際操作精確石墨烯間夾角是非常不容易的事,因此對未來產業應用有著不小的難度與挑戰。

何昇晉博士(第一作者)與陳則銘教授巧妙地避開這個問題。有別於以往只是單純將二維材料一層一層疊上去,他們另闢蹊徑。他們與謝予強等團隊成員合作開發出能進行原子級尺度雕刻的新穎方法,利用半導體蝕刻技術雕塑氮化硼基板表面,將雙層石墨烯堆疊於基板上,使之產生三維結構的變化。陳則銘教授解釋,想像把一個比較軟的物體(石墨烯)放在凹凸不平的表面(氮化硼基板)上,軟的物體會隨著表面上下起伏,轉角處就會有一些拉扯,藉此讓原子間的距離產生改變。 這個新技術能將二維材料的晶格結構(原子排列)依照被雕刻之氮化硼人造超晶格基板的構造進行拉伸或扭曲變形,改變了原有的結構對稱性以及層間作用力,進而改變物質的物理特性。這不僅意味著石墨烯電子能帶結構可透過人工的方式改變,更宏觀來說,能以各種非自然界存在的人造超晶格結構來操控各種二維材料的物理性質。

建立於此製程技術上,研究團隊發現了一重要貢獻,在於確立了兩種新型態霍爾效應的發現。霍爾效應於1879年由美國物理學家霍爾(Edwin H. Hall)所發現,當固體導體放入磁場中,電流通過時,電荷載子會因羅倫茲力而偏折、堆積,進而產生所謂的霍爾電壓。過去一百多年來,科學界普遍認為外加磁場是霍爾效應生成的必要條件。研究團隊發現,特殊的石墨烯結構,可存在實空間或動量空間的等效偽磁場(pseudo-magnetic field),以取代真實磁場引發霍爾效應。研究團隊以具人造晶格結構的石墨烯量子元件為底,結合實驗與理論,其中理論模型建構與數值模擬為共同第一作者及玉山青年學者張景皓助理教授負責,證明雙層石墨烯皺褶結構同時存在兩種(對應實空間與動量空間)零磁場的霍爾效應。此突破跳出了原有框架,打破霍爾效應需要磁場的論點,同時也擴展霍爾效應的應用,對理解量子傳輸基礎科學問題與日後發展新穎量子電子元件及晶片有著莫大的幫助。

成大研究團隊透過奈米蝕刻製程,經由設計堆疊石墨烯等二維材料得到新穎的量子現象,不僅證明人工調整晶格結構的可行性,後續也開啟幾何與拓樸量子現象研究的可能性。

成大研究團隊於科技部與科技部自然司司長合影。左起為國立成功大學物理學系謝予強同學、國立陽明交通大學電子物理系羅舜聰助理教授、國立成功大學物理學系陳則銘教授、科技部自然司羅夢凡司長、國立成功大學物理學系張景皓助理教授、國立成功大學物理學系黃柏慈博士。

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