現今的傳統半導體材料正面臨物理瓶頸，隨著半導體製程邁向3奈米，如何跨越電晶體微縮的物理極限，並趕上摩爾定律(Moore’s Law) 每兩年電晶體數目增加一倍的速度，是半導體業亟欲發展的技術關鍵。
因此，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，被視為突破物理極限並取代矽等傳統半導體材料的潛力新星。
二維材料擁有許多優異的特質，例如：導電性佳、高強度、可調電子結構、透光等，因此在電子、光子、感測與能源等領域，具有很大的發展潛力。除了二維材料本身的物理特性可以被單獨應用之外，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，能在原子尺度世界中，創造出無限的可能。
由國家同步輻射研究中心魏德新研究員所主導的國際研究團隊，與國立臺灣師範大學藍彥文副教授、呂俊毅博士後研究員，以及德國彼得葛倫伯格研究中心(Peter Grünberg Institute)的Christian Tusche研究員，歷時兩年多，利用「台灣光源」（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：發現了即便是在室溫下，此異質結構間的交互作用仍然可以在非晶相之磁性材料中誘發出常見於晶相結構之「自發磁異向性」，為磁異向性之起源與操控，開闢一個嶄新的視野。
國家同步輻射中心。圖/By Chang.ms – Own work, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons.
本研究首度將厚度大約1奈米的鈷(Co)薄膜堆疊在單層二硫化鉬上，形成鈷/二硫化鉬異質結構，並使用同步輻射「X光吸收光譜術（X-ray absorption spectroscopy, XAS）」、「光電子發射顯微術（Photoemission electron microscope, PEEM）」與「光電子能譜術（X-ray photoemission spectroscopy, XPS）」進行分析。 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。研究成果於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。
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，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。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，被預測為是下一世代的主流元件，全世界紛紛戮力投入這個領域。
魏德新研究員表示，這個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。
原始研究：Lu, C. I., Huang, C. H., Yang, K. H. O., Simbulan, K. B., Li, K. S., Li, F., … & Tusche, C. (2020). Spontaneously induced magnetic anisotropy in an ultrathin Co/MoS 2 heterojunction. Nanoscale Horizons.
July 15, 2020 at 08:46PM
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突破半導體材料限制新契機？二維材料自發磁異向性的新發現 - PanSci 泛科學
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