2023-09-28 記者/洪美秀 新竹報導
清華大學化學系教授黃暄益團隊發表「晶面效應」理論,以研究證實即使採用同樣化學元素製成的晶體,只要形狀不同,就會因晶體表面薄層和內部晶格排列的差異,產生不一樣的電性、光學性質及光催化活性。這項研究成果登上頂尖期刊《Small》,可望啟發下一世代半導體研究的創新突破。
清大表示,學界過去認為,相同晶體的導電度、光學性質等各項理化性質應該都是一樣的。但黃暄益多年前就發現,氧化亞銅八面晶體最導電,其次是立方晶體,菱形十二面晶體則完全不導電;此外,氧化亞銅菱形十二面晶體的光催化活性最佳,其次是八面晶體,立方晶體則不具光催化活性,且不同形狀晶體呈現的顏色也不一樣。
許多研究者面對這些差異,並未進一步探究這個現象,但這反而激起了黃暄益的好奇心,希望能以實驗數據證實這奇特的晶面效應。
黃暄益假設晶體表面有一薄層,因原子位置的極小差異,使得表層的晶格排列方式與內部晶格出現變化,因而造成不同的電荷移動、光吸收效果。「就如同生魚片表面用火焰微烤一下,外觀貌似相同,但香味及口感就會產生變化。」
為證實這項假設,黃暄益團隊使用國家同步輻射中心的高解析度X光照射晶體,並以高解析電子顯微鏡進行觀測,果然發現八面晶體、立方晶體、菱形12面晶體上的晶格排列都不一致,證實了「晶面效應」理論。依此理論,半導體也會產生不同的壓電性及磁性。
清華化學系博士在職生、同時也是國家同步輻射中心研究助理的陳柏豪說明,台灣光子源高解析粉末繞射實驗站的光源強、光束直且不易發散,因此實驗準確度很高。他取氧化亞銅奈米晶體粉末,填充在只有直徑0.3mm的毛細管中,並用X光照射曝光,發現圖上有兩個繞射峰,顯示晶體表面跟內部確有兩種不同的晶格排列方式。
黃暄益認為,了解晶面效應產生的機制,能讓未來的半導體材料應用更廣泛,例如利用晶面控制電荷轉移,或挑選適當的晶面組合製成電晶體。黃暄益感謝國家同步輻射研究中心的技術支援,讓他堅信多年的假設終於得到證實。