臺灣物理研究發(fā)展概述（中）

韋大成++李旭豐

凝聚態(tài)物理

據(jù)統(tǒng)計，在臺灣從事凝聚態(tài)（固體）物理研究的人員約占物理總研究人員的一半左右，幾乎所有島內(nèi)大學(xué)的物理學(xué)系/所都開展這方面的研究，主要集中在高溫超導(dǎo)體與磁性材料、光電材料、半導(dǎo)體、表面物理特性、液晶、薄膜、納米材料、非線性光學(xué)材料和超快光源等領(lǐng)域的研究，其成果數(shù)不勝數(shù)。

例如在高溫超導(dǎo)體與磁性材料方面，以往研究成果包括：進(jìn)行單電子晶體管及自旋磁電子穿隧實驗，研究穿隧效應(yīng)及自旋磁電子等的磁阻、元件制作及理論，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)、磁性及穿隧與介面有重要的影響；開展磁性薄膜的磁化結(jié)構(gòu)及磁化過程實驗研究，了解磁性超晶格及多層膜等復(fù)合結(jié)構(gòu)的物性、穿隧磁電阻的物理機(jī)制、交換偏耦合、納米龐磁阻薄膜及如何制作磁性動態(tài)隨機(jī)存取存儲器；以高難度的微樣品比熱技術(shù)，在新超導(dǎo)硼化鎂材料上，證明特殊超導(dǎo)能隙；利用先進(jìn)的電子束微影技術(shù)，制作一維陣列的極微小超導(dǎo)量子干涉元件，再用外加磁場控制超導(dǎo)耦合能量的大小，控制超導(dǎo)絕緣的相變；計算第二類超導(dǎo)的Vortex液體與固體的比熱與磁性，驗證高溫超導(dǎo)自旋擾動對穿隧光譜效應(yīng)；首次發(fā)現(xiàn)磁性耦合的最佳化機(jī)制；利用核磁共振對鎵同位素樣品進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)磁性、弛豫時間與拉摩頻率有關(guān)；發(fā)現(xiàn)鑭系超導(dǎo)材料的比熱與溫度比函數(shù)在2K以下有一個不尋常的凹陷；精確計算第二類超導(dǎo)體渦流的磁化率與比熱；發(fā)現(xiàn)在一系列鈰鋁合金中的磁序與近藤（Kondo）效應(yīng)共存現(xiàn)象；觀察到超微小物質(zhì)尺寸變小至納米尺寸后產(chǎn)生的磁相轉(zhuǎn)變效應(yīng)；磁性-超導(dǎo)-磁性單電子晶體管的自旋傳輸；一維約瑟芬矩陣的超導(dǎo)-絕緣量子相變等。

繼2008年初日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野英夫等人首次發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體，推翻磁性材料不可能超導(dǎo)的假設(shè)之后不久，臺灣中研院物理所超導(dǎo)體研究團(tuán)隊在同年創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)更簡單、且安全無毒、更容易制造的鐵基超導(dǎo)材料，目前的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為絕對溫度30K，顛覆了以往科學(xué)界一直認(rèn)為只有像銅氧化物這類反鐵磁絕緣體才能成為高溫超導(dǎo)體的認(rèn)知。該研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，通過電化學(xué)方法調(diào)整其中鉀離子含量，可以改變這類鐵基超導(dǎo)材料的電性或超導(dǎo)性，甚至在6K以下進(jìn)入了新發(fā)現(xiàn)的“磁玻璃”物理態(tài)。

2010年，臺灣大學(xué)研究團(tuán)隊與加拿大科學(xué)家合作，利用同步輻射光源及中子散射實驗，成功探測出氯化氧鈦與溴化氧鈦磁性材料中磁矩對的形成細(xì)節(jié)，特別是在磁偶對形成之前的先期交互作用，同時該團(tuán)隊也頭一次發(fā)現(xiàn)了磁激態(tài)單態(tài)到三重態(tài)的證據(jù)，顯示這些磁矩在低溫時會形成一特殊成對磁矩而進(jìn)入更低能態(tài)。

在磁性半導(dǎo)體與磁性絕緣體中，磁振子-聲子經(jīng)由薄膜樣品基板的交互作用扮演重要的角色。中研院物理所李尚凡等人2011年首次以實驗證實，藉由熱激發(fā)的非對稱自旋電動勢也可經(jīng)由垂直膜面的溫度差來驅(qū)動。此發(fā)現(xiàn)有助了解熱激發(fā)自旋電子學(xué)的機(jī)制與過程，證明了垂直膜面的溫度梯度所導(dǎo)致的異常能斯特效應(yīng)是所觀測到信號的主要成因。

在光電材料與半導(dǎo)體特性方面，臺灣科學(xué)家以往的研究成果包括：研制新型具極寬光學(xué)增益頻寬的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體發(fā)光元件，研究其發(fā)光物理機(jī)制；發(fā)現(xiàn)帶有渦旋相位的光束在自聚焦材料中形成空間光孤子，打破以往認(rèn)為帶有此種相位的光孤子因徑向不穩(wěn)定性而不能存在的理論；首次觀測到Q開關(guān)微型固態(tài)薄膜激光中所出現(xiàn)的光孤子行為；研制應(yīng)用于超熒光發(fā)光二極管和極短脈沖寬度的鎖模二極管激光；利用飛秒激光技術(shù)研究寬能隙氮系半導(dǎo)體薄膜的近能隙載子和聲子動態(tài)，發(fā)展薄膜特性多光子顯微分析技術(shù)；利用改良式電子繞射/成像光學(xué)技術(shù)，比熱測量研究前瞻性液晶分子薄膜的相變和結(jié)構(gòu)，增進(jìn)對軟材料的分子構(gòu)形和其凝態(tài)結(jié)構(gòu)的了解；發(fā)展多光子共焦光學(xué)顯微術(shù)在半導(dǎo)體薄膜及生醫(yī)檢測方面的應(yīng)用；利用X光吸收光譜方法，測量含氮鉆石薄膜的原子、電子結(jié)構(gòu)與電性；用掃描隧道電子顯微鏡觀察磊晶生長的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)可于室溫下在硅表面生長平坦的鍺薄膜；發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)某砷L條件下，金屬鎵會在硅表面結(jié)聚出大小約1納米結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定的奇異原子團(tuán)；以半導(dǎo)體硅制作的單電子晶體管；異植結(jié)構(gòu)砷化鎵/鋁砷化鎵元件的自旋注入現(xiàn)象；二維硒化鎘光子晶體制作；探討在金屬表面上各種原子團(tuán)擴(kuò)散行為的理論基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)硅表面上的硅奇異原子團(tuán)隨著電流而產(chǎn)生的異常流動現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)離子轟擊鉆石表面會發(fā)生一種自發(fā)性的納米波紋結(jié)構(gòu)等。

同步輻射中心黃迪靖等人利用同步輻射光源，克服多層技術(shù)瓶頸，發(fā)展尖端軟X光吸收與共振散射實驗技術(shù)，研究前瞻性材料的微觀電子與磁性結(jié)構(gòu)。例如首次發(fā)現(xiàn)四氧化三鐵電荷及軌域有序排列的決定性實驗證據(jù)，揭開其金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體之謎，解決過去60多年來科學(xué)界的爭議。

臺灣“中央”大學(xué)研究團(tuán)隊2007年利用低密度銦砷化鎵量子點完成高品質(zhì)的光子晶體單光子光源之后，進(jìn)一步制作高穩(wěn)定溫度的單光子光源，操作溫度范圍在7至60K之間，單光子輻射純度在85%以上，適合量子密碼的應(yīng)用。

臺灣大學(xué)物理系蔡定平教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊2009年與英國科學(xué)家合作，結(jié)合超穎物質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米光學(xué)計算與設(shè)計、制作、測量與納米光電元件、系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)等進(jìn)行一系列的研究，其中藉由設(shè)計特殊的超穎物質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)，搭配上適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄈ肷?，在非手性超穎物質(zhì)中，獲得手性結(jié)構(gòu)才擁有的光學(xué)性質(zhì)來驗證超穎物質(zhì)的特殊光學(xué)性質(zhì)。另外，他們還制作并驗證了可調(diào)變波長的自由電子納米光源——光井，實驗驗證了非同調(diào)的近紅外納米光源，藉由調(diào)整超穎物質(zhì)結(jié)構(gòu)的周期，可使出射的光波范圍延伸到兆赫波或紫外光波段，同時，增加其孔洞的深度，可獲得頻寬較窄的出射光。

2010年，臺灣科學(xué)家利用單晶成長光學(xué)聚焦浮區(qū)法，成功制備出極高純度且品質(zhì)穩(wěn)定的大尺寸NaXCoO2單晶，并且運(yùn)用電化學(xué)嵌入法，對長成單晶做進(jìn)一步的鈉離子成分準(zhǔn)確調(diào)控，制備出全世界最純與最穩(wěn)定的一系列單晶樣品，在熱電、電池與超導(dǎo)材料發(fā)展上具備極大潛力。

由于光子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)超過電子，目前的信號產(chǎn)生器受限于電路速度，僅能制造出微波至無線電波范圍的波形，無法制造光學(xué)波形。臺灣中研院原子與分子所孔慶昌等人利用分子調(diào)節(jié)法產(chǎn)生5種不同的和聲，經(jīng)由操控其相位與振幅，合成出即時光場，并導(dǎo)出周期性的鋸齒、方塊或子循環(huán)弦波等實體波形的函數(shù)脈沖。這項突破性的創(chuàng)新成果將幫助科學(xué)家進(jìn)一步開發(fā)出全光學(xué)波形的合成器。

2011年，臺灣中研院物理所研究團(tuán)隊開展雙柵極雙層石墨烯元件研究，首次實驗驗證場效熱電效應(yīng)，已超越一些常見的低溫?zé)犭姴牧稀４爽F(xiàn)象的核心物理機(jī)制源于電場衍生之反對稱性破壞造成了能隙的產(chǎn)生，進(jìn)而增加能帶曲率。此外，熱電能的極性也可簡單運(yùn)用柵極電壓來調(diào)控成為電子型或空穴型。此成果提供了熱電相關(guān)研究領(lǐng)域一個全新的發(fā)展方向。

在納米材料特性方面，臺灣科學(xué)家以往的研究成果包括：研究納米材料量子尺寸效應(yīng)的電性、熱性與磁性，并發(fā)現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致“非磁性近藤效應(yīng)”的相轉(zhuǎn)變；由低溫比熱特性分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米尺寸的化合物粒子逐漸變小至納米尺寸時，磁轉(zhuǎn)變臨界溫度會逐漸消失，而屬于近藤效應(yīng)的熵大增；利用掃描隧道電子顯微鏡加一電脈沖，可以在硅表面制造納米級的二維凹陷或突起的二維硅島，納米結(jié)構(gòu)在400℃以上會逐漸變小直到完全消失；發(fā)現(xiàn)鋁納米尺寸島嶼的成長受到量子局限效應(yīng)的影響，其層間距離與層數(shù)有振蕩性的變化關(guān)系；以電子束曝光、顯影及蝕刻技術(shù)，制作線寬約30納米的細(xì)線，以這種技術(shù)，可在基板任何指定的位置上制作幾乎任意形狀的金屬線或半導(dǎo)體線；開發(fā)新制程以制作微小單電子晶體管及光子晶體，單電子晶體管可作為極靈敏的存儲器元件，而光子晶體可作為超小型的光波導(dǎo)管。

近幾年的研究方向則集中在納米結(jié)構(gòu)、金屬/絕緣體/金屬隧道結(jié)、半導(dǎo)體納米線等低維系統(tǒng)的研究，主要探討的物理問題涵蓋量子傳輸、電子相位相干時間、氧化鋅納米線的導(dǎo)電機(jī)制、納米接點、普適電導(dǎo)漲落、奇異近藤效應(yīng)和動態(tài)結(jié)構(gòu)缺陷的低溫動力學(xué)行為等表面物理與納米尺度和多體課題。

例如2006年，臺灣大學(xué)凝態(tài)研究中心林麗瓊等人以首創(chuàng)的微反應(yīng)器設(shè)計，制作“納米豆莢”，即零維與一維復(fù)合式納米線，其中納米線采用二氧化硅等介電材料，包覆的零維結(jié)構(gòu)則是金納米顆粒。利用金納米顆粒在綠光波段有很強(qiáng)的表面等離子體共振現(xiàn)象，光吸收大為提高而產(chǎn)生光致導(dǎo)電的特性，可將其作為具有波長選擇性的光納米開關(guān)。該團(tuán)隊還致力于研發(fā)直接成長氮化鎵納米線在芯片上的制程，成功做出全球首創(chuàng)橋接光電元件，并發(fā)現(xiàn)其光致導(dǎo)電感應(yīng)系數(shù)超越磊晶薄膜5個數(shù)量級。

2007年，臺灣中研院原子分子所研究人員發(fā)現(xiàn)，利用微波等離子體系統(tǒng)在硅芯片上產(chǎn)生一種針尖狀的納米結(jié)構(gòu)陣列，鍍上金、銀的納米顆粒之后成為表面拉曼光譜的絕佳基板，適合探測各種化學(xué)與DNA等生物分子。這種簡易、非周期性的硅納米針尖陣列可以有效消除光反射，抗反射功能涵蓋紫外光、可見光、紅外光以至太赫茲（THz）電磁波，并且對各種入射角的光線都有效，將來可以用來增進(jìn)太陽電池的效率，甚至可以應(yīng)用在反隱形探測用途上。

臺灣研究人員2008年利用自行研發(fā)的超高真空掃描隧道電子顯微鏡系統(tǒng)，通過操控納米顆粒及裁減、修飾碳納米管，把一顆3納米直徑的銀顆粒放在碳管最前端，量得共振頻率大幅降低，結(jié)果制成可測量納米顆粒原子質(zhì)量的“原子秤”。此后，學(xué)界即不斷增進(jìn)其質(zhì)測量的精密度，目前最佳的解析度約為10-19克。

此外，臺灣研究人員將一根磁性鎳納米線懸吊在一個掏空的硅基板上，并以自行開發(fā)出的技術(shù)測量出它的導(dǎo)電率與熱傳導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下，熱、電傳輸行為與一般材料大為不同，受到納米線的結(jié)構(gòu)與內(nèi)在缺陷所壓制，且熱流比電流受到更大的壓制。

從2002年起，臺灣科學(xué)家就研究以等離子體輔助式分子束磊晶技術(shù)，在硅基板上生長高品質(zhì)三族氮化物半導(dǎo)體納米光電材料，包括氮化鋁、氮化鎵、氮化銦薄膜、納米柱陣列及量子點材料等。2009年，他們完成了氮化物半導(dǎo)體磊晶薄膜與納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物性研究，成功地在硅基板上生長出全彩及白光氮化銦鎵/氮化鎵納米柱發(fā)光二極管元件。

藉由太陽光的照射分解水產(chǎn)生氫氣，是目前許多最具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色能源方案之一。臺灣中研院原子分子所陳貴賢等人研制的碲化鎘量子點與氧化鋅納米線結(jié)合的納米結(jié)構(gòu)，可以作為光解水產(chǎn)生氫氣的良好材料，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到1.83%，是目前使用純氧化鋅納米線元件轉(zhuǎn)換效率的一倍以上，且具有長時間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的特性。

2011年，臺灣研究人員經(jīng)由精細(xì)測量和分析低溫弱局域效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)無論是在弱無序或是準(zhǔn)彈道的納米尺寸樣品中，電子-橫波聲子散射強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于電子-縱波聲子散射強(qiáng)度，并定量決定出電子-橫波聲子散射率的溫度變化關(guān)系，對厘清傳統(tǒng)固體物理理論的認(rèn)知與納米電子元件的實際應(yīng)用具有深遠(yuǎn)影響。通過對弱無序和準(zhǔn)彈道條件下金屬中的電子-聲子散射機(jī)制的嶄新觀測及對傳統(tǒng)的，并促成新理論的誕生。

通過極低溫下的電子相位相干時間的定量測試，臺灣研究人員證實在非彈性電子-聲子散射和電子-電子散射之外，還存在有動態(tài)結(jié)構(gòu)缺陷引起的電子相位破壞過程，激發(fā)起了國際上對趨近于絕對零度時的電子相位相干時間特性的深入理論與實驗研究。該研究團(tuán)隊近幾年同時進(jìn)行納米導(dǎo)線的研究，開展單根金屬以及半導(dǎo)體納米線的低溫電性測量，以探討納米線的本征電子傳輸特性，研發(fā)出制作次微米電極的電子束微顯影和聚焦離子束技術(shù)，以及納米線在低溫下的微小信號電性測量技術(shù)，完成了單根金屬納米線和半導(dǎo)體納米線的四點大溫度范圍測量。再根據(jù)累積多年的豐富研究經(jīng)驗，深入解釋了納米線中的各種微觀物理機(jī)制，如首次提出自摻雜氧化鋅納米線中的劈裂雜質(zhì)帶導(dǎo)電機(jī)制等。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)氧化釕金屬納米線中的隨時間起伏的普適電導(dǎo)漲落，以及錫摻雜氧化銦納米線中的隨磁場擾動的普適電導(dǎo)漲落，和可調(diào)控的自旋-軌道耦合強(qiáng)度等。除了利用四點測量法探究單根納米線的本征物理特性，他們還發(fā)展出了一套二點/三點測量法，測得次微米金屬電極與單根金屬納米線之間的接點電阻的溫度行為，并解釋納米接點的微觀導(dǎo)電機(jī)制是由熱擾動引致隧道導(dǎo)電過程主宰。這些針對單根納米導(dǎo)線的定量研究及深入理論分析，在世界上占有極為前沿的地位。