【研究成果】新興材料與物聯網(IoT)的距離—拓樸絕緣體碲化鉍(Bi2Te3)的應用

by Yang-Kuang Chao
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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)

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