三国学术合作攻1奈米半导体二维材料再获新突破

SOT-MRAM是当前业界看好的产品，对于如何进一步操控自旋电子磁区方向的新方法，为半导体业带来突破性的发展一直是学研界努力的目标。国家同步辐射研究中心16日表示，历时两年多在台湾和德国、意大利共同合作下，已成功在厚度1奈米的材料做出有利「自旋电子学」后续发展的研究。研究成果登日前已登上顶尖期刊《奈米视界》(Nanoscale Horizons)。

国家同步辐射研究中心指出，目前全球已面临传统半导体材料的物理瓶颈，随着半导体制程迈向3奈米，如何跨越电晶体微缩的物理极限，并赶上摩尔定律每两年电晶体数目增加一倍的速度，成为半导体业亟欲发展的技术关键。而厚度仅原子等级的二维材料(2D Material)，被视为突破物理极限并取代矽等传统半导体材料的潜力新星。

二维材料拥有许多优异的特质，如导电性佳、高强度、可调电子结构、透光等，因此在电子、光子、感测与能源等领域，具有很大的发展潜力。除了二维材料本身的物理特性可以被单独应用之外，若再与其他材料结合成「异质结构」，将使得二维材料发展性变得更为广泛与丰富，能在原子尺度世界中，创造出无限的可能。

国家同步辐射研究中心(NSRRC)研究员魏德新与台湾师范大学副教授蓝彦文、博士后研究员吕俊毅，以及德国彼得葛伦伯格(Peter Grünberg )研究中心的研究员Christian Tusche，历时两年多，利用「台湾光源」(Taiwan Light Source；TLS)与义大利同步辐射光源(Elettra)，对「钴／二硫化钼异质结构」进行特征研究分析。

发现即便是在室温下，此异质结构间的交互作用仍然可以在非晶相之磁性材料中诱发出常见于晶相结构之「自发磁异向性」，为磁异向性之起源与操控，开辟一个崭新的视野。这项跨国合作，首度将厚度大约1奈米的钴(Co)薄膜堆叠在单层二硫化钼上，形成钴／二硫化钼异质结构，并使用同步辐射「X光吸收光谱术」、「光电子发射显微术」与「光电子能谱术」进行分析。

研究结果发现，透过异质结构间的「轨域混成(Orbital hybridization)」，二硫化钼可以在室温时将非晶相的钴薄膜诱导出类似磁晶异向性般的「自发磁异向性」。磁异向性指的是磁性材料之磁化方向容易沿某特定方向排列的特性，此性质可以用来定义数位记录中的0与1。

如何藉由新颖材料或是人工结构的制备来发现新奇的磁异向性，并加以控制其方向，是目前发展磁储存与磁感应技术的重要关键，像是新颖的磁阻随机存取记忆体( MRAM)、手机的电子罗盘、陀螺仪，甚至是量子电脑的计算单元，都会用到电子自旋的特性。