晶體材料追尋突破 TCECM發展改變生活指日可待

新網記者黃小玲台北特稿
2015/3/25 下午 07:01:09 / 科技新知

　晶體存在於人類生活中每個角落，平常使用的手機、相機、電腦等3C產品，個個都需要置入晶體，生活已充斥在晶體世界裡，晶體造就現今科技發達的生活，未來可能還會出現新的晶體，讓人類再次掀起革命並改變生活。

「尖端晶體材料聯合實驗室」集結5位國內經驗豐富具專業學識的人才，共同研發新的晶體，讓人類再次掀起革命並改變生活。(黃小玲攝影)

　台灣大學材料科學與工程學系教授陳俊維表示，2011年開始由科技部對物理學界中的晶體研究做投資，並集結到5位國內經驗豐富具專業學識的人才，在2012年5月組成「尖端晶體材料聯合實驗室」(Taiwan Consortium of Emergent Crystalline Materials, TCECM)，從技術和理論交流組成一個平台，以此平台讓國內其他做晶體的研究者，藉由平台能一起工作，有很多材料標準可共享資源，技術上可交流更密切。

　陳俊維說，2014年實驗室團隊陣仗愈發成熟，很多人在這領域下有發展，所以再投入新的資源，現有14個團隊，並針對5個不同面向：一、先進材料的分析技術。二、原件製程技術。三、新穎能源或功能性材料開發。四、基礎理論。五、工業應用。所以無論怎麼開發新的東西，都要回歸到基礎理論，而非只重視實驗結果，還得思考如何拿它來使用，讓它發揮社會經濟價值。身為尖端晶體材料聯合實驗室負責執行的人，TCECM就要從台灣出發，把名聲傳揚國際。

台灣大學材料科學與工程學系教授陳俊維希望TCECM要從台灣出發，把名聲傳揚國際。(黃小玲攝影)

　台灣大學凝態科學研究中心研究員周方正認為，實驗室組織上特別強調整合性的事情，做單一材料的話，長單晶是技術也是藝術，是一種整合概念，一旦做出一個材料，就希望研究清楚所有的基礎物理，讓理念實務跟材料可以有非常好的整合。雖是著重整合統一和研發新材料，但有很多新物理可從舊材料找到，才能不斷突破。

　在長單晶上，新的技術發展能達到，周方正以他的實驗室發展說明，凝態物理的基礎研究仍希望和應用研究有所連繫，主要朝3個研究發展方向進行：第一、電池材料。從能源、熱電材料方面發展，電池材料需要更大蓄電量，各種性質要摸索清楚，若要把電轉熱或熱轉電就必須要很好的熱電材料才行。第二、新一代功能性材料。因為不能完全一直停留在矽的半導體，多年以前矽的半導體工業革命，一直不斷探討新的可能性，矽也是最常用的半導體，如果將過渡金屬「錳」摻了一半進入矽裡面，在spin電子自旋上產生一種迴旋狀skyrmion新變化，這樣的三維磁性結構能長出很好晶體，再仔細把它整理出空間中的溫度跟磁場變化情況。一步步踏向未來應用。

　周方正指出，近5年來整個物理界都在追尋一種突破性的材料，新一代叫「拓撲絕緣體」。以材料BiTeI為例，它是Bi、TeI跟點的一個材料，Bi在中間，它一層是點，一層是TeI，所以看起來是整片長起來是平面的，但有時會產生翻轉現象，所以上面是TeI還是點不得而知，此現象在長單晶也會碰上。材料BiTeI在這兩個原子質量電性會有差異，電性差異會造成Rashba effect，原來spin可以上下來回移動，結果因特殊材料的天然不對稱，它在某個方向就定住了，相當有趣的變化。可透過spin空間的不對稱產生很多種變化，些微的物理研究變化就能夠達到應用目的。

台灣大學凝態科學研究中心研究員周方正指出，近5年來整個物理界都在追尋一種突破性的材料，新一代叫「拓撲絕緣體」。(黃小玲攝影)

　他說，還有一例是與普林斯頓大學團隊合作，提供最好的單晶給對方，才能達到好的實驗結果，這材料牽涉到狄拉克錐面(Dirac cone)，是一種新的能隙，提到半導體是一個倒帶跟一個價帶中間有個能隙，讓電子穿越能隙是最新且多種的變化。能隙的倒帶跟價帶只接觸在一個點上，電子處在動態下，究竟屬於上面還是下面無法了解，因此狄拉克錐面(Dirac cone)是個有趣的發展方向，實際上跟石墨烯運用到同種性質可說是不謀而合。

　如今科技部推動TECEM，應貫徹培養專業人才，像是長單晶、材料、科學研究更需要累積良才，未來產學發展能做更多連結，推動新一代能跟全世界聯絡，雖是做應用研究，但要有好的研究基礎力量，跟理論做緊密結合，所以現在TECEM也有理論團隊，不久之後這版圖會越來越清楚。

中山大學材料與光電科學學系教授周明奇表示，該校成立晶體研究中心，能生長的晶體包含雷射、光學、高溫超導、生醫科技、高能物理、核子物理、壓電晶體等。(黃小玲攝影)

　將南部晶體生長特地帶到現場展現成果，中山大學材料與光電科學學系教授周明奇表示，常看到「東森命運鑑定團」有寶石鑑定，其實寶石就是晶體，若將晶體切成寶石，相信應該沒有人可以鑑定出來，因為此晶體純度太高，幾乎沒有缺陷。做晶體生長包含物理、化學、結晶學、材料科學、礦物學等學問在裡面。經由實驗室讓晶體生長，可定義在兩個方向：第一、別人沒做過的晶體，希望將它開發出來。第二、現在已有的晶體，把它做到最好。

　在科技部和中山大學支持下，成立晶體研究中心(Center for Crystal Researches)，目前中心內所能生長的晶體包含雷射、光學、高溫超導、生醫科技、高能物理、核子物理、壓電晶體等。周明奇說，在晶體生長方面台灣規模比美國、日本或其他國家的國家級實驗室都還大，此外，晶體本身在基礎研究跟工業應用之外，也自己設計跟扶持國內產業相關發展，晶體生長可謂是科學和藝術的結合。