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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
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
