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更新日期:104年12月31日

研發獨步全球零缺陷半導體材料 提升LED 發光效能100倍
臺大跨國團隊成果榮登《Science》科學期刊

無缺陷的完美材料原本不存在於大自然中;傳統上,當半導體材料越薄,其缺陷對於電子、光電元件的效能就有越嚴重的影響 。臺大跨國研究團隊近期在「科學」《Science》期刊(2015/11/27)發表一項「修復缺陷」的簡單方法, 讓單層二維半導體材料達到「零缺陷」的等級, 將可提升LED 發光效能100倍。這種原子等級厚度的零缺陷材料可說是前所未聞,震撼科學界!

科學家們近年來一直在發展新型的二維半導體材料,二維半導體材料具有特殊的電子傳導、光學、機械特性,亦可整合於現今半導體元件製程,被視為具有很大的潛力可以取代傳統矽材元件。

MoS2則為最熱門的半導體二維材料之一。單層的MoS2的厚度大約為1 nm的7/10,比人類DNA鏈約2.5 nm的直徑更小。然而以目前的合成製備技術,二維材料的缺陷密度還是太高。

如何減少及控制缺陷為所有半導體材料必須克服的問題之一,缺陷的問題也成為二維MoS2應用於各種電子或光電元件應用上最大的瓶頸。

此一跨國研究團隊發現,透過將二維材料浸潤於有機超強酸中,即可將此單層薄膜達到完美的「零缺陷」二維材料,從而大幅提高其發光效率。研究團隊進一步指出, 將二硫化鉬(MoS2)材料浸潤於一種稱為亞胺(bistriflimide)的有機超強酸中,可大幅提高二維材料的量子效率,使其從不到1%增加到接近100%。

這項研究結果,為MoS2等二維材料在光電裝置與高性能電晶體的實際應用開啟了大門。此技術可望用於開發透明的LED顯示器、超高效太陽能電池、高靈敏度的光偵測器、與低功耗的奈米級電晶體。 原則上,人們可利用這種零缺陷的「完美」光電二維材料開發透明且具可撓性的高性能LED顯示器。 因此, MoS2具有很大的潛力可以取代矽材元件,亦有很大的機會躍升為下一世代半導體元件尺寸微微縮後的材料選擇之一,也將為電晶體帶來革命性的改變。

註: 「光致發光」是(Photoluminescence)光直接照射到材料上,被材料吸收並將能量傳遞給材料,這些能量可以通過發光的形式消耗掉。簡單說,是指物質吸收光的能量後,重新輻射出光的過程。光激發而發光的過程叫做光致發光,電激發而發光就叫做電致發光,LED的運作原理就是電致發光。光致發光的效率可以告訴我們材料的品質。

本論文共同第一作者連德軒是臺大電機系新科博士,此一跨國研究團隊是由加州大學柏克萊分校教授Ali Javey、阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)教授何志浩,電子所教授、亦是前臺大校長李嗣涔共同組成。本研究的共同第一作者連德軒同學今年剛完成博士口試,將於本學期畢業。目前已在加州柏克萊大學執行科技部第二年的龍門計畫。畢業後則將繼續在加州大學柏克萊分校繼續擔任博士後研究員的工作。

連德軒博士是臺灣本土培育有成的年輕博士,當初放棄喬治亞理工大學入學,選擇臺大。在他積極熱情、創意豐沛、構思精密,執行能力強,結合電子、材料、化學各領域的力量,完成此項重任。其投入相關研究已長達十年,研究成果斐然。他於2015年是臺灣首次在拿到IEEE EDS PhD student fellowship,該獎學金由最重要的國際電子半導體學會IEEE Electron device society頒發(全世界一年僅頒發三位)。他的論文也是臺大第一篇被選進VLSI technology會議發表的論文(2014),且被選為焦點文章,受到30個國際媒體報導。他所設計的產品曾於2014年得到到東元科技創意競賽 (臺灣最大的創意競賽) 冠軍。

詳《Science》期刊全文“Near-unity photoluminescence quantum yield in MoS2”, 2015, 350, 1065; DOI: 10.1126/science.aad2114,https://www.sciencemag.org/content/350/6264/1065.abstract

  • 「光致發光」是(Photoluminescence)光直接照射到材料上,被材料吸收並將能量傳遞給材料,這些能量可以通過發光的形式消耗掉。

    「光致發光」是(Photoluminescence)光直接照射到材料上,被材料吸收並將能量傳遞給材料,這些能量可以通過發光的形式消耗掉。

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