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鐵酸鉍—半導體元件的明日之星

關於半導體元件的大小、功能及容量,有個很重要的變因是晶圓製程,記錄訊息的軌跡從65奈米、40奈米、32奈米逐步減少,就可以讓電子元件越來越小,儲存的容量越來越大,處理的速度也越來越快。
 
 
 
關於半導體元件的大小、功能及容量,有個很重要的變因是晶圓製程,記錄訊息的軌跡從65奈米、40奈米、32奈米逐步減少,這樣就可以讓電子元件越來越小,儲存的容量越來越大,處理的速度也越來越快。

 

英特爾公司(Intel Corporation)創辦人之一摩爾(Gordon Moore)曾提出「摩爾定律」,他認為,積體電路上可容納的電晶體數目每隔18個月便會增1倍,效能也提高1倍。過去三十多年來,台灣半導體業也印證了這個定律。不過,受限於光阻與半導體製程,這類材料製程已接近物理上的尺度極限。有高科技業者預言,摩爾定律將在未來6至8年內失效,使用矽為材料的積體電路會遇到無法超越的瓶頸,許多科學家已經開始思考是否有新型態的材料可以替代。

 

磁性材料和鐵電材料在高科技產業上的應用相當普遍,磁性材料大多用於磁性記錄器,鐵電性材料則較常用來製造記憶體,把這兩種材料耦合成穩定的狀態,就成了具有多樣磁性與電性的「磁電多鐵材料」(簡稱多鐵材料)。然而這並非易事,使得尋找多鐵材料深具挑戰性。交通大學材料科學與工程學系朱英豪教授很早就了解到,各類商業發展到最後遇到的瓶頸都是材料問題,於是便投身於新材料的開發,他的研究團隊發現鐵酸鉍(BiFeO3)在室溫下仍有多鐵材料的特性。

 

鐵酸鉍的晶格在整齊中有些微的不對稱,使其自身電性不均勻,產生內建電場的極化方向,鄰近晶格又會受到彼此間彈性能的影響,導致在大面積時無法全部朝同一個方向,而會區分出某個區域朝一方向,有些區域又會有不同方向。如果是相同方向的範圍稱為「疇域」(domain),而疇域與疇域之間的交界稱為「疇壁」。

 

朱教授經過仔細研究後發現在自然界裡疇壁有3種類型,依電場夾角的不同分為71度、109度及180度。而其方向可在外加電場下調整,例如夾角可由71度調整為109度。研究團隊還用導電的原子力顯微鏡探討疇壁結構的導電性,原本鐵酸鉍並不導電,但在這3類疇壁中,夾角109度與夾角180度的疇壁都有導電性,夾角71度的疇壁則無,一個疇壁寬度僅有2奈米。朱教授的研究團隊不僅能在絕緣體的材料上創造出導電通道,還可以重複地控制導電通道的開關,也就是具有發展為積體電路材料的潛力。而這通道的寬度比起傳統半導體的最佳極限還要小10倍以上,這代表著如果未來可以商品化,電子元件可以做得更輕薄短小,功能更強。

 

多鐵材料除了導電性之外,還有很多複雜的電性、磁性,以及電磁耦合的作用可加以探討。相較於目前的半導體業僅利用電性通路的開關來演示二進位的內容,就可以打造如此繁複且功能強大的電子世界,如果能對鐵酸鉍有更多的了解,或許可以擁有更多元的控制表現。雖然鐵酸鉍可能為半導體元件的製作帶來新契機,但目前還在實驗室研究階段,與真正商品化還有一段距離。朱教授對於自己這方面的技術並未申請專利,他希望有興趣的人能夠一起加入研究,他很樂意扮演推手的角色,盼能讓這項研究造福更多的社會大眾。

 
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