下世代超輕薄可捲曲晶片 張景皓團隊找出可撓式奈米科技關鍵-國立成功大學永續發展SDGs

下世代超輕薄可捲曲晶片 張景皓團隊找出可撓式奈米科技關鍵

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下世代超輕薄可捲曲晶片 張景皓團隊找出可撓式奈米科技關鍵

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超輕薄,可捲曲,豐富應用性的晶片不再是夢想。國立成功大學物理系副教授兼成大前沿量子科技研究中心張景皓與其團隊,共同分析「石墨烯」材料,發現捲曲後有新的獨特應用功能性,為此與團隊投入研究,從無到有,建立起基礎物理(量子態)模型。研究成果於 2022 年發表於奈米科學領域之學門指標性期刊奈米視界(Nanoscale Horizons)並獲選為期刊之封面論文(Front Cover)。
 

矽層狀材料不再是晶片製造的唯一選擇
成大物理系副教授張景皓說,自己 2013 年在德國德樂斯登萊布尼茲固態材料研究所擔任研究員時,得知使用石墨烯製成的可撓式電極版等元件被研發出來、且受到業界矚目,當時他認為這類型的二維材料(2D)具有特殊、豐富、操作自由等特性,有機會突破矽,成為新的半導體元件材料,開啟想要從事相關研究的契機,於是,2018 年回國後便積極投入相關的物理理論研究,盼能透過瞭解二維材料的晶格結構(原子排列)在電路中的運動、跳躍等路徑,找尋可撓式奈米材料發展的關鍵。
 
張景皓團隊進一步解釋,石墨烯(Graphene)是自然界目前已知世上最薄的材料,當把六角型、蜂巢晶格狀的石墨片層層剝離,就能看見單層、只有厚度約  0.34  奈米的單原子碳材,然而,可撓式指的就是可任意彎曲(Rollable),能製作出體積微小化、輕量化的物件,像是目前市面上最新,有多角度螢幕摺疊功能的手機,就是使用可撓式玻璃製作出的產品。


為什麼要做可撓式奈米?
半導體產業發展至今仍以層狀矽材料作為晶片製造的材料,但能提升的空間越來越小,若想超越 5 奈米,傳導速度更快、極低耗能、更微小的捲曲狀石墨烯,可望取代矽成為下一世紀的奈米材料,製造出超薄、超輕,可撓式,可拿來發展多種元件的晶片,相關的研究在材料界研發超過 20 年,但因背後的關鍵電子學特性仍是未知,至今都未能大鳴大放、納入實際應用版圖。
 
張景皓副教授表示,近年來自己所參與的研究,證實將石墨烯在奈米尺度下,扭曲成螺旋狀奈米時會因原子間距離的改變而產生磁性,展現出新穎的電子傳輸特性,是其他材料無法取代的;可撓式奈米不僅能將晶片做到微小化,更可望達到節能減碳的目標,未來發展不容小覷,但目前要克服的因素還很多,其一就是若要將其產品化,必須找出背後的原理,就像是計算的方程式、物理的定律,然而,要找出符合正確計算數值的理論,卻讓不少研究團隊傷透腦筋。
 

從 0 到 1 的過程需要一點想像與浪漫
團隊從 2019 年開始透過不同的計算方式,驗證實驗背後呈現的電阻數據,是否與設想的理論吻合,試圖抽絲剝繭找出背後的成因。回想起團隊的合作過程,張景皓說,「我們就像是三劍客,用各自熟悉的專長,進行研究」,用不同的方法突破,相互激勵、討論與克服,這樣亦師亦友的情誼,順利推進了研究歷程,「跟著學生度過從專題發想到碩班,這段可貴、獨特,探索學習的時光,豐富了彼此的研究生涯。」研究最終的計算結果之一,甚至就是來自當時還是物理系大三生的第四作者黃宣富。
 
論文第一作者鍾雨潔博士為團隊的博士後研究員,她說,物理學家們認為,「探索物質世界的組成和運行規律」,用物理學找到美麗新世界,是相當迷人的事,對她來說,也是鼓舞自己走向學術研究的理由,在這個女性較少嶄露頭角的領域,有了這段寶貴的經驗,往後會更加堅定的往前走。
 
第二作者黃彥哲博士表示,這兩年多來研究的歷程,一開始挫折很大,時常因為計算結果與其他人不吻合,屢次懷疑自己是不是算錯了,然後透過實際電子傳輸的計算,也逐一突破計算細節的錯誤,「先要相信自己,不要懷疑,最後多錯幾次就會對了。」
 

模型化找出可撓式奈米背後的關鍵
「透過基礎理論模型分析,可以得知看見背後的新量子物理特性」,張景皓副教授表示,這是首次有研究團隊,將可捲曲的奈米結構,從零到有建立出基礎物理模型,並了解其結構、電傳輸與磁傳輸的成因,確認材料中的量子態具備特異、可調控的量子相位,並可透過人為切換奈米管或奈米帶的量子態,形成獨特、豐富、完美的傳輸性質,是該領域的突破,未來也盼能與實驗學家合作,協助研發出開各樣新的儲能設備,優化相關產品。
 
另外,特別感謝德國、荷蘭、師大物理系團隊的合作,跟同領域的學者相互腦力激盪,一起討論、克服想出不同的計算方法。張景皓說,有人說浪漫是一門科學,「物理學既浪漫又真實,滿足對未知領域的幻想,又可以透過實驗,確認幻想是真實的,只要陷入就無法自拔。」
 
維護單位: 新聞中心
更新日期: 2022-07-11

國立成功大學物理系副教授兼成大前沿量子科技研究中心張景皓(左)與其研究團隊

成大物理系張景皓副教授鼓勵物理系學生共同參與研究

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