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如何讓半導體有磁性

新一代的電子元件必須是在奈米結構下,同時運用電子的電荷與自旋兩種特性。而結合磁學與電子學兩大領域的自旋電子學,及自旋電子元件的應用,也將是未來研發的主流之一。
 
 
 
磁性材料與半導體材料都是廣泛研究與應用的領域。磁性元件是利用電子的自旋(spin)特性來操作,半導體運作則是利用載子的電荷(charge)性質,藉由外加電場來控制其中載子的流動。近年來,積體電路為達到更快速、密集的需求,奈米級元件的開發成為趨勢,使得載子間與自旋相關的交互作用日益受到重視。因此,新一代的電子元件必須是在奈米結構下,同時運用電子的電荷與自旋兩種特性。而結合磁學與電子學兩大領域的自旋電子學,及自旋電子元件的應用,也將是未來研發的主流之一。

磁性一般無法存在於半導體材料中,但是日本東北大學的大野英男教授嘗試多年後,終於成功地在砷化鎵中加入少量磁性的錳元素,而製造出所謂稀釋型磁性半導體。這個結果打破以往的禁忌,開創了磁性半導體應用的可行性。之後許多相關的研究陸續展開,試圖找尋不同的半導體材料,加入不同的雜質,增強磁矩、提高磁矩存在的溫度等。

電晶體(transistor)是由半導體製成的,而積體電路(integrated circuit, IC)是使用電晶體組裝而成的單晶片電路。電晶體剛發明時,所用的材料是鍺,而非矽。但積體電路元件在閘極需要用絕緣材料來隔絕,矽因為有完美的氧化物—二氧化矽,而鍺沒有,所以矽就成為半導體電子元件的主角。

如今,電子元件的尺寸逐漸縮小,二氧化矽的絕緣能力相對減弱,而必須用其他絕緣材料來取代時,矽的優勢就喪失了。而鍺有許多特性優於矽,因此在製造更小的奈米級電子元件時,可能考慮重新利用鍺做為主要材料以取代矽。然而,半導體產業基本上就是矽的產業,若要用鍺來取代矽,牽涉問題很多,不易達成。目前比較可行的方法是在矽晶圓上鍍一層鍺的薄膜,再製造電子元件,因此鍺薄膜的研究早已受到各界的重視。

基於上述因素與背景,中央研究院物理研究所劉鏞博士在數年前就開始積極地從事相關的研究。在初期工作中,劉博士與研究團隊在研究稀釋磁性半導體時,就發現未摻入任何磁性雜質的純鍺薄膜在低溫下有微弱的磁性。之後,研究生蘇培文在利用奈米球技術製作鍺薄膜時,意外發現當鍺薄膜小於一定的厚度,且蒸鍍在小尺寸的奈米球上時,就可在室溫以上量測到明顯的磁矩。

經過後續學生的重複驗證與嘗試各種的解釋,劉博士提出一個大膽的假設—儘管塊材的鍺半導體沒有磁性,是否鍺奈米粒子有可能具有磁性?如果用別的方法製作鍺的奈米粒子,是否也會有相同的結果?稍後,在利用惰性氣體凝結法製備鍺奈米粒子時,也發現有相同的結果。因此,劉博士推測,鍺的室溫磁性來源應與鍺奈米粒子的大小有關。

在此同時,他們也觀察到大部分的鍺奈米粒子是非晶形結構,且其磁矩與粒子分布有密切關係,鍺粒子越小且分布越緊密,就有越大的磁矩。因此,劉博士推測,鍺的室溫磁性來源應與鍺奈米粒子的尺寸、結構缺陷、表面效應等綜合因素有密切關聯。

從碳六十至奈米碳管的陸續發現,與其特殊的物理和化學的性質,奈米科技開創了科學的新紀元。因為量子效應的作用,僅由於材料尺寸的縮小,已足以創造新的材料與特性。

許多材料的奈米粒子有與塊材不同的特性,包括光學、電性、磁性等,產生了更多的應用,特別是與能源相關的研究,已成為先進國家非常重視的領域之一。劉博士於是提出「磁性的鍺奈米粒子」的新議題,試圖帶領大家思考奈米材料可否有更多新的特性?從觀察鍺奈米材料的磁性,或許可以使我們更加了解磁學的基本根源,以及磁性半導體奈米材料等其他應用的可能性。可以想像的是,在各領域專家的通力合作下,許多不同奈米材料的開發與應用的時代將指日可待。
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