開啟次世代電子元件新視野
110年07月12日
【本篇報導由物理系 藍彥文副教授研究團隊提供】 現行的磁記憶元件是透過多層金屬薄膜結構之間的交換耦合作用力來保持磁性金屬層的磁矩方向，藉此達到儲存資訊位元的能力。而本實驗報告創新之處在於，透過異質結構間的「軌域混成（Orbital hybridization）」，新穎二維材料二硫化鉬可以在室溫時將非晶相的鈷薄膜誘導出類似磁晶異向性般的「自發磁異向性」，此發現為磁異向性之起源與操控，增添了一個全新的可能，也為「自旋電子學」的發展及小型化搭建了新契機。 隨著半導體製程已邁向3奈米，後續發展也面臨瓶頸，國立臺灣師範大學物理系藍彥文副教授、呂俊毅博士後研究員，參與由國家同步輻射研究中心組成的臺灣、德國跨國研究團隊，以「鈷/二硫化鉬異質結構」進行特徵研究分析，發現透過異質結構「軌域混成」，可能導出「自發磁異向性」，未來若用在電子元件，可能得以在半導體及光電產業上獲得突破發展。 目前全球都面臨傳統半導體材料的物理瓶頸，要如何跨越電晶體微縮的物理極限，並趕上摩爾定律（Moore’s Law） 每2年電晶體數目增加1倍的速度，成為半導體業亟欲發展的技術關鍵。 厚度僅原子等級的二維材料（2D Material），例如石墨烯（Graphene）以及二硫化鉬（MoS2）等，被視為能突破物理極限並取代矽等傳統半導體材料的潛力新星，若再與其他材料結合成「異質結構」，將使得二維材料發展性變得更為廣泛與豐富，在原子尺度世界中，創造出無限的可能。 開啟次世代電子元件新視野 重大發現登國際頂尖期刊封面 國輻中心研究員魏德新所主導的國際研究團隊，與臺師大物理系副教授藍彥文、博士後研究員呂俊毅，以及德國彼得葛倫伯格研究中心（Peter Grünb’erg Institute）研究員Christian Tusche，歷時2年多，利用「臺灣光源」（Taiwan Light Source, TLS）與義大利同步輻射光源（Elettra），對「鈷/二硫化鉬異質結構」進行特徵研究分析。 研究結果發現，透過異質結構間的「軌域混成（Orbital hybridization）」，二硫化鉬可以在室溫時將非晶相的鈷薄膜誘導出類似磁晶異向性般的「自發磁異向性」，此發現為磁異向性之起源與操控，增添了一個全新的可能，也為「自旋電子學」的發展搭建了一個新契機。而這項成果也於2020年7月1日登上國際頂尖期刊《奈米視界》（Nanoscale Horizons），並獲選為期刊封面內頁（圖一）。 國輻中心7月16日說明，磁異向性指的是磁性材料之磁化方向容易沿某特定方向排列的特性，此性質可以用來定義數位記錄中的0與1。所以如何藉由新穎材料或是人工結構的製備來發現新奇的磁異向性，並加以控制其方向，是目前發展磁儲存與磁感應技術的重要關鍵。 國輻中心舉例，像是新穎的磁阻隨機存取記憶體（MRAM）、手機的電子羅盤、陀螺儀，甚至是量子電腦的計算單元，都會用到電子自旋的特性。而與傳統電子元件相比，自旋電子元件可以提供更高能源效率和更低功耗，被預測為下一世代的主流元件。 此研究首度發現了增進磁異向性的另一個成因—軌域混成，未來研究團隊將深入探討產生這個現象的關鍵機制，並進一步研究操控自旋電子磁區方向的新方法，有機會為半導體業與光電等產業，帶來突破性的發展。(資料來源：國家同步輻射研究中心 / 編輯：胡世澤 / 核稿：胡世澤) 圖一：本次研究報告被選為期刊封面之圖片 原文出處： Chun-I Lu, Chih-Heng Huang, Kui-Hon Ou yang, Kristan Bryan Simbulan, Kai-Shin Li, Feng Li, Junjie Qi, Matteo Jugovac, Iulia Cojocariu, Vitaliy Feyer, Christian Tusche, Minn-Tsong Lin, Tzu-Hung Chuang, YannWen Lan* and Der-Hsin Wei*, Spontaneously induced magnetic anisotropy in an ultrathin Co/MoS2 heterojunction. Nanoscale Horizons 2020, 5, 1058-1064. https://doi.org/10.1039/D0NH00108B