撰稿 / 鄭淳澧 (科學推展中心特約編輯)
圖1. 基於拓樸絕緣材料奈米發電機的系統級人機互動介面與應用
材料科學是一門迷人的學科，在奈米的世界裡更是如此，好比我們以摩爾定律（Moore’s law）靜靜地看積體電路（IC）的發展，何時會碰到瓶頸，何時又會突破瓶頸，而人們早在研究金氧半場效電晶體（MOSFET）前，就明白源極（source）、閘極（gate）、汲極（drain）所構成0與1的開關，能更好地運用在電腦運算上。
當然，材料的能耐遠不止前述那般，比如研究高溫超導的學者，總希望找到一個能遠離絕對零度又呈現超導現象的材料，期盼有一天能應用在室溫下；或者研究材料的壓電特性，挖掘出與現代生活緊密結合的商品，如感測器、觸碰板等，又或者研究材料的光電特性⋯⋯而在眾多新興材料中，近年最被廣泛討論的當數拓樸絕緣體了，絕緣體我們很熟，不過，若以拓樸做前綴則不一定容易理解，請待娓娓道來。
在半導體中，我們觀測材料的電性，以電子與電洞去理解微觀世界，將精神反映至宏觀上，好比你在白板上看過電子繞核轉動的示意圖，便認定那是規律的圓周運動，若再深入研究些，才明白原來電子是以機率密度的形式散佈在原子結構裡；拓樸絕緣體則更玄妙了，雖說是絕緣體，但它的表面卻存在特殊的量子態，從滿足某些條件而可以導電，這已偏離宏觀的認知，因此，為了更好地理解一種材料，尤其是奈米材料，人們導入各種工具來分析它，比方說各式電子顯微鏡，如AFM、SEM、TEM，為了描繪它的表面形貌或輪廓（Morphology、Topography），或用各式光譜儀，如XRD、XPS、Raman Spectrum來理解它的晶格與組成。
至此，應先跳至與新興材料相呼應的新興產業，在物聯網時代，其中有兩大應用技術獲得關注——再生能源與穿戴式裝置，要知道，在生活中普及的智慧產品，多是取得難度低，易上手、不易被覺察，大隱隱於市，於是，理想的裝置勢必走向微小化、精緻化，試想穿戴著厚重的腦波儀上街是多麼滑稽，更遑論電力來源，為此，中興大學材料科學與工程學系賴盈至副教授帶著研究團隊，於拓樸絕緣體上找到了前景，這個材料便是碲化鉍（Bi2Te3）。
如圖1. 所示，當我們把遊戲的手把分拆出來，讓手把構成更為明確，如下、左、右與轉動按鈕，於是透過手指按壓，便可操作俄羅斯方塊遊戲；在圖右，這樣一副眼鏡也藉由接觸不同位置的按鈕，以藍芽連線、自供電的方式來操作音樂播放器，播放/暫停、前一曲、下一曲。
兩圖所見的應用產品，內部結構皆是摩擦奈米發電機（TI-TENG），其所使用的主要材料便是前述的拓樸絕緣體：碲化鉍。
圖2. 基於碲化鉍奈米片的奈米發電機結構圖
我們再看到奈米發電機內部(如圖2.)，一邊是由碲化鉍奈米薄膜，另一邊則是Kapton塗層，圖3. 中演示了當兩者靠近再分離，會產生電流，這便是接觸起電的機制。
圖3. 基於碲化鉍奈米片的奈米發電機運作機制
事實上，碲化鉍薄膜遠不止示意圖那般，而是相當有內涵的層層構造，由圖4.中(i)的堆疊與表面能隙的示意，及(ii)、(iii)SEM下不同滴佈量的表面，我們知道拓樸絕緣體特殊的量子態與它的表面形貌脫離不了關係，更顯露出其寬能隙的內部，與無能隙的表面，恰好適用於奈米發電機中，結合表面極化與位移電流的技術，能更好地放在物聯網自供電感測暨可穿戴式電子設備上，相當慶幸的是，我們在室溫下便可使用此種特殊材料。
圖4. 碲化鉍能帶與晶體結構圖及不同滴佈量下的SEM影像
此外，奈米材料更要考慮它的良率與製程難易，為了取代需要昂貴機器且耗時長的長晶法，中興大學團隊使用更簡單快速的化學溶液合成法，降低了成本、生長時程與提升良率，不同於以往的高分子材料，將拓樸絕緣體應用在摩擦奈米發電機，以凱氏探針力顯微鏡（KPFM）觀測其優異的表面電荷轉移，且初次為拓樸絕緣體在摩擦電序列進行定序，實現其收集低頻機械能的可行性，這為物聯網中，可攜式電子設備、穿戴式裝置在材料選擇上，拓展了眼界，多了更多的可能性，重新搭起了微觀與宏觀世界的橋樑。
參考文獻
[1] Mengjiao Li, Hong-Wei Lu, Shu-Wei Wang, Rei-Ping Li, Jiann-Yeu Chen, Wen-Shuo Chuang, Feng-Shou Yang, Yen-Fu Lin, Chih-Yen Chen & Ying-Chih Lai (2022) Filling the gap between topological insulator nanomaterials and triboelectric nanogenerators, Nature Communications volume 13, Article number: 938 (2022)
