研究願景

我們的研究是探索新興材料與先進元件工程如何形塑下一代電子技術，透過結合低維材料、半導體元件設計與基礎物理，我們研究電荷、自旋、晶格與介面效應如何在奈米尺度下彼此耦合，這些交互作用往往會產生傳統塊材中無法觀察到的物理現象。

透過理解這些機制，我們致力於設計與工程化奈米尺度電子與自旋電子元件，使其具備更高效率、新穎功能與更優異的效能，並面向未來運算科技的需求。

1. 二維材料

二維材料是厚度僅有數個原子層的晶體固體。不同於傳統材料，二維材料表面可形成原子級平整且沒有懸鍵的銳利介面，因此非常適合作為乾淨異質結構與新型元件架構的基本組件。這項特性使研究者能夠以傳統塊材系統難以達成的方式，組合性質截然不同的材料。

二維材料領域始於 graphene 的發現。Graphene 是由單層碳原子排列成蜂巢狀晶格的材料，展現出極高電導率、優異機械強度與獨特量子傳輸行為等非凡性質。它的發現開啟了凝態物理、奈米科技與先進電子學的新前沿。

在 graphene 之後，包含 MoS2 與 WS2 等材料在內的 transition metal dichalcogenides (TMDCs) 受到廣泛關注。不同於 graphene，許多 TMDCs 是具有明顯能隙的半導體，因此有望應用於電晶體、光偵測器與其他電子或光電元件。其強自旋軌道耦合與谷相關性質，也為探索新的量子現象提供了令人期待的機會。

近年來，二維材料家族進一步擴展到 氮化物與其他新興化合物，例如 hexagonal boron nitride (h-BN)、AlN、MoN 與 WN 等。這些材料具備多樣化功能，從原子級平整的絕緣層、保護阻障，到可能具有新穎電子、磁性或超導特性的研究平台。

二維材料最強大的特點之一，是它們可以像 Lego 積木 一樣被組裝。透過堆疊不同原子層，研究者能建立 van der Waals heterostructures，讓每一層材料貢獻不同功能。這些結構提供一個多功能平台，可用於研究電荷、自旋、晶格與光之間的交互作用，同時也為電子、自旋電子與量子元件開啟新的可能性。

我們發展先進製程，在二維材料元件中建立超乾淨介面，以實現更高品質的異質結構與更優異的元件效能。

2. 電子與自旋電子元件

現代電子元件透過控制半導體材料中的電荷流動來運作。電晶體、二極體與積體電路構成今日資訊科技的基礎，支撐著形塑現代社會的運算、通訊與感測系統。隨著元件尺寸持續縮小且效能需求不斷提升，理解奈米尺度下的電荷傳輸變得越來越重要。

在傳統電子學之外，自旋電子學 引入另一個自由度：電子自旋。傳統元件主要依賴電荷傳輸，而自旋電子元件同時利用電荷與自旋來儲存、處理與傳遞資訊。這種方法可實現非揮發性記憶體、磁性感測與高能源效率邏輯元件等新功能。Magnetic tunnel junctions (MTJs) 與 spin valves 等技術已在現代記憶體與資料儲存系統中展現實際應用。

二維材料為推進電子與自旋電子元件帶來令人期待的機會。其原子級薄層特性使介面與電子結構能被精準控制，而這對高效率電荷傳輸與自旋操控至關重要。當二維材料與磁性材料或工程化異質結構整合時，這些系統能揭示新的傳輸現象，並促成新型元件概念。

透過整合 新穎材料、介面工程與元件物理，我們致力於設計下一代電子與自旋電子元件，使其更快速、更節能，並具備全新的功能。

二維材料為電子與自旋電子元件提供新的傳輸模式，可提升操作效率、功能性，並開啟未來科技的新機會。

3. 基礎物理機制

為了理解電子與自旋電子元件在微觀尺度下如何運作，我們的研究聚焦於揭示支配電荷與自旋傳輸的 基礎物理機制。我們從三個互補角度切入這項挑戰：光、電與磁。

Raman spectroscopy 等光學技術讓我們能探測低維材料中的晶格振動，以及電子、聲子與自旋之間的交互作用。包含 Hall transport 與 magnetoresistance 在內的電性量測，則可揭示電子與自旋如何在材料中及介面間移動。這些實驗提供載子動力學、自旋傳輸與決定元件效能之機制的直接洞察。

除了實驗室量測，我們也整合 同步輻射技術，以更深入理解材料結構與電子性質。在臺灣 國家同步輻射研究中心 (NSRRC) 與日本 SPring-8 等設施進行的實驗，可提供包含 X-ray diffraction (XRD)、angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) 與 hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) 在內的先進表徵。這些工具讓我們能以高精度研究晶體結構、電子能帶結構與介面電子態。

透過結合光學、電性、磁性與同步輻射技術，我們希望建立對材料、介面與量子效應如何互相作用的完整理解。這些知識將成為設計下一代電子與自旋電子元件的物理基礎。