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奈米尺度的二維材料,如何解決鈣鈦礦在鐵磁金屬的表面張力?
傳統的太陽能電池多半使用「矽」作為原料,隨著科技發展日新月異,技術成本低、製程短的第三代太陽能電池「鈣鈦礦」,被視為最具潛力替代矽太陽能電池的技術。國立臺灣師範大學物理系教授林文欽率領研究團隊緊跟「鈣鈦礦」熱潮,嘗試結合鐵磁金屬與鈣鈦礦,但光讓兩種截然不同的物質「整齊黏好」是個難題,這項研究透過二維材料成功克服表面張力,為半導體原料研究提供新觀點。
林文欽的研究專長為磁物理、表面物理,近年更聚焦可逆氫化磁性材料、新穎二維材料的物理特性、自旋電子元件製作分析的研究主題。該則獲獎論文,就是將帶有磁性的鐵磁金屬與二維材料相融合的一系列跨領域實踐。
近年來,科學家嘗試利用鐵磁金屬電子的自旋特性,並讓鈣鈦礦有效控制電子流動,將兩種物質優勢極大化。但如何讓兩種截然不同的物質均勻接觸,而且還要能控制介面品質,避免鐵磁層和鈣鈦礦層之間的相互作用產生負面效應,一度讓研究團隊費盡心思。
為了讓兩物質交融,達成一加一大於二的效果,研究過程也證明了「萬事起頭難」。林文欽表示,起初認為只要將鈣鈦礦溶液,塗在金屬表面就可以直接觀察物質特性,但當在把兩物質放在「旋轉塗佈機」操作時,鈣鈦礦溶液卻無法克服表面張力,如同把水滴滴在玻璃後高速旋轉會濺得四處都是水珠,無法均勻散開,研究前期耗費不少功夫在克服技術問題。
原始物質不如預期的堆疊,研究團隊擴大操作模式,將各種帶有磁性的金屬都拿來嘗試,經過重重失敗,仍無法克服表面張力的問題。直到在鈣鈦礦和金屬薄膜之間,插入1-2奈米氧化鋁層、單原子石墨烯層的超薄異質介面,也就是在金屬與鈣鈦礦間放入氧化物、二維材料(石墨烯),將這層異質介面作為一種「奈米黏著劑」。
研究團隊透過原子力顯微鏡和掃描式電子顯微鏡觀察,研究發現,有機鈣鈦礦成功形成連續緻密、無空隙的薄膜,其粗糙度波動在個位數奈米以內,鈣鈦礦溶液均勻塗抹在磁性金屬表面,顯見奈米尺度的氧化物、石墨烯確實能大幅改善表面張力的問題。
這項研究結果,成功探討鈣鈦礦與金屬異質結構的介面問題,也為自旋電子元件的應用開發再開展出一條新的研究道路。不僅如此,該項研究也是跨領域研究合作案例,除了與臺師大物理系教授趙宇強合作,成功大學李亞儒教授也參與其中,鈣鈦礦與磁物理專家共同貢獻專長。
林文欽說,這份論文僅是在研究二物質異質接合的基本特性,屬於「基礎研究」,未來想走元件應用的研究。他也提到,愈來愈多二維材料被開發,有新材料就有新特性,只要加以排列組合,就會有很多新發現,未來跨域研究機會只會多不會少。
此外,研究團隊還進一步發現,若鈣鈦礦與金屬表面直接接觸,竟會衍生出化學反應的難題。兩種物質相互「氧化還原」後導致金屬與鈣鈦礦的特性全失,形成介面磁性「死層」。但石墨烯的蜂巢結構,讓金屬原子難以穿透產生作用,能夠組隔「氧化還原」發生,避免形成磁性「死層」;同時石墨烯的優異導電性性質,仍舊能夠導通自旋電子流經鈣鈦礦與金屬異質結構兩端。未來如何持擴展至多功能元件應用,後續也成為團隊的新研究方向。
從設定研究主題,到克服實驗困境,研究團隊前後約耗時一年。林文欽說,「鈣鈦礦」掀起一波材料研究熱潮,相關領域研究非常競爭,只要做出來的實驗數據具備特殊性,就必須盡快生成研究論文發表。但目前半導體產業仍以「矽」占大宗,「鈣鈦礦」要走入業界成為半導體產業的熱門原料,仍待各界探索各式各樣的可行應用方向。(撰文:公共事務中心)