清華大學教授黃暄益團隊發表晶面效應理論 啟發半導體研究突破

記者鄧君/新竹報導

清華大學化學系教授黃暄益團隊發表「晶面效應」理論,以研究證實即使採用同樣化學元素製成的晶體,只要形狀不同,就會因晶體表面薄層和內部晶格排列的差異,產生不一樣的電性、光學性質及光催化活性。這項研究成果登上頂尖期刊《Small》,可望啟發下一世代半導體研究的創新突破。

清華大學教授黃暄益團隊發表晶面效應理論,啟發半導體研究突破,刊登於國際期刊。黃暄益研究團隊包括陽明交大材料系副教授羅友杰(左起)、博士生高睿成、清華化學系博士在職生陳柏豪、教授黃暄益、教授陳益佳、國家同步輻射研究中心副研究員莊裕鈞。(圖/記者鄧君攝)

黃暄益教授指出,學界過去認為,相同晶體的導電度、光學性質等各項理化性質應該都是一樣的。但黃暄益多年前就發現,氧化亞銅八面晶體最導電,其次是立方晶體,菱形十二面晶體則完全不導電;此外,氧化亞銅菱形十二面晶體的光催化活性最佳,其次是八面晶體,立方晶體則不具光催化活性,且不同形狀晶體呈現的顏色也不一樣。面對這些差異,激起他的好奇心,希望能以實驗數據證實這奇特的晶面效應。

黃暄益表示,假設晶體表面有一薄層,因原子位置的極小差異,使得表層的晶格排列方式與內部晶格出現變化,因而造成不同的電荷移動、光吸收效果。「就如同生魚片表面用火焰微烤一下,外觀貌似相同,但香味及口感就會產生變化。」黃暄益比喻。

為證實這項假設,黃暄益團隊使用國家同步輻射中心的高解析度X光照射晶體,並以高解析電子顯微鏡進行觀測,果然發現八面晶體、立方晶體、菱形十二面晶體上的晶格排列都不一致,證實了「晶面效應」理論。依此理論,半導體也會產生不同的壓電性及磁性。

清華大學化學系博士在職生、同時也是國家同步輻射中心研究助理陳柏豪說,台灣光子源高解析粉末繞射實驗站的光源強、光束直且不易發散,因此實驗準確度很高。他取氧化亞銅奈米晶體粉末,填充在只有直徑0.3mm的毛細管中,並用X光照射曝光,發現圖上有兩個繞射峰,顯示晶體表面跟內部確有兩種不同的晶格排列方式。

黃暄益認為,了解晶面效應產生的機制,能讓未來的半導體材料應用更廣泛,例如利用晶面控制電荷轉移,或挑選適當的晶面組合製成電晶體。黃暄益感謝國家同步輻射研究中心的技術支援,讓他堅信多年的假設終於得到證實。

由清華化學系教授黃暄益組成的跨領域團隊成員包括化學系博士在職生陳柏豪、博士畢業生高達姆(Gautam Kumar)、化學系教授陳益佳、碩士生魏佑容、碩士畢業生馬學恆、碩士畢業生周柏融,及陽明交大材料系副教授羅友杰、博士生高睿成、彰師大物理系副教授周至品、國家同步輻射研究中心副研究員莊裕鈞。

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