新網報導從原子排列出發精準控制層間結構開啟二維材料新功能拓展光電元件設計方向

從原子排列出發精準控制層間結構開啟二維材料新功能拓展光電元件設計方向

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〔新網記者歸鴻亭台北報導〕　面對AI、高效能運算與低功耗電子需求快速成長，半導體元件持續微縮與新材料開發成為全球科技競爭關鍵。在國科會「晶創臺灣」及前瞻半導體相關計畫支持下，國立臺灣師範大學物理學系教授藍彥文、陸亭樺與國立成功大學核心設施中心林光儀博士共同領導研究團隊，結合國立臺灣大學、國立陽明交通大學及國家同步輻射研究中心之研究能量，成功以化學氣相沉積(CVD)製備1H堆疊雙層MoS₂，呈現直接能隙、增強發光與谷極化特性，研究成果刊載於國際頂尖期刊《Nature》。

1H雙層MoS₂的原子堆疊與光學特性示意圖。(國科會提供)
　二硫化鉬(MoS₂)是代表性的二維半導體材料，具有原子級厚度與良好的電子、光學特性，被視為後摩爾時代先進電子與光電元件的重要候選材料。單層 MoS₂具有直接能隙，具有良好的光吸收與發光能力；然而，當材料堆疊成雙層時，常見的2H或3R堆疊會因層間作用改變電子能帶結構，使其轉為間接能隙，導致發光效率下降，成為雙層MoS₂發展光電與谷電子應用(valleytronic applications)的重要限制。

　本研究以原子堆疊方式作為材料設計的關鍵參數。研究團隊發展兩階段化學氣相沉積成長方法，透過控制成長溫度與快速降溫，抑制成長中的原子重新排列為較穩定的3R堆疊，成功形成上下兩層高度對位的1H結構。由於不同堆疊方式會改變層間距離與原子軌域間的作用，進而影響電子能帶與光學性質，因此可在不改變材料成分的情況下，透過原子排列設計調控材料功能。

　研究結果顯示，1H雙層MoS₂不僅展現不同於傳統雙層結構的電子能帶，也具有更強的發光表現與明顯的谷極化特性。此結果顯示，原子層之間的相對排列不僅影響電子結構，也會進一步改變材料與光的交互作用，對未來二維半導體光電元件與谷電子元件的設計具有重要意義。

　研究團隊並透過多種分析方法進行交叉驗證。原子尺度顯微、電子繞射及第二諧波產生分析確認1H堆疊可在微米尺度範圍內形成；第一原理計算與同步輻射角解析光電子能譜(ARPES)則進一步解析其電子能帶結構。量測結果確認1H雙層MoS₂具有直接能隙特性，並建立從原子堆疊、層間作用、電子能帶到光學功能之間的關聯。

　藍彥文表示，這項研究最重要的發現，是二維材料的性質不只取決於「用了什麼材料」，兩層原子「怎麼排列」也很重要。研究團隊透過直接CVD成長，精準控制雙層MoS₂的堆疊方式，在不改變材料成分的情況下，就能重新調整它的電子能帶，讓雙層材料呈現直接能隙、較強的發光與谷極化特性。我們也從原子結構、電子能帶到光學性質進行多重驗證，確認這些變化確實來自堆疊方式的改變。未來若能更進一步掌握成長條件與原子排列之間的關係，原子堆疊就有機會成為設計新型二維半導體與量子材料的重要工具。

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