負負並沒有得正,但是兩個絕緣體介面可以變成超高電子密度的導體──美國猶他大學(University of Utah)以及明尼蘇達大學(University of Minnesota)的研究人員發現,該介面乘載的電子氣體(electron gas),在電子密度上優於石墨烯(graphene)以及氮化鎵(gallium nitride)。

上述超導體可實現較小型、發熱較低以及功耗較低的電晶體,免除充電變壓器的需求;還有太赫茲(terahertz)調變器。不過,並非任何一種絕緣體都會達成相同的效果,猶他大學教授Berardi Sensale-Rodriguez以及明尼蘇達大學教授Bharat Jalan所採用的複合氧化物,是在商用LaSr基板上生長的鈦酸鍶(strontium titanate,SrTiO)與之上的鈦酸釹(neodymium titanate,NdTiO),即下圖的NTO/STO。

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在穿透式電子顯微鏡(TEM)下的鈦酸釹(NdTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)絕緣體,以及下方的La0.3Sr0.7基板(NTO/STO/LSAT)
(來源:Applied Physics)

除了以上的配方,其他研究團隊也在進行相關研究,以各種其他複合氧化物來展現類似的電子氣體現象。Sensate-Rodriguez接受EE Times訪問時表示,複合氧化物實際上是許多研究團隊關注的題目,舉例來說,在美國加州大學聖塔芭芭拉(University of California Santa Barbara)分校就有經驗豐富的研究團隊,還有康乃爾大學(Cornell)以及日本的團隊。

不過Sensate-Rodriguez強調,沒有其他團隊達成像他與明尼蘇達大學教授Bharat Jalan所展現的如此高電子密度;他們的合作始於Jalan先前對高電子密度材料的研究發現,於是Sensate-Rodriguez提議利用Jalan的方法,以石墨烯樣本進行評估(太赫茲光譜學),以判定其精確的電子密度並嘗試解密其機制。

「根據我先前對石墨烯的研究經驗,我預期會看到比利用DC量測所提取的更大傳導性,因為太赫茲光譜學能更接近期內在特性,也就是材料的基礎限制;」Sensate-Rodriguez表示,最後他們發現,在氧化物介面產生的2D電子氣體之傳導性,不但媲美石墨烯與氮化鎵,更有趣的是,氮化鎵與那些氧化物都能受益於大型擊穿電場(breakdown field),因此很適合應用於電力電子。

此外兩位教授還推論,複合氧化物介面產生超高電子密度的機制與氮化鎵並不相同;Sensate-Rodriguez表示,氮化鎵的高傳導性是材料內高遷移率的產物,但是在NTO/STO內的高電子密度,則是兩種不差的遷移率結合之結果:「這是兩種產生類似結果、基本上卻完全不同的機制,因為材料的傳導性取決於電荷密度以及電荷的遷移率。」

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複合氧化物材料特性,詳情請參考:http://research.cems.umn.edu/jalan/Jalan_research_group/Home.html
(來源:University of Minnesota)

Sensate-Rodriguez與Jalan對NTO/STO材料如此樂觀看待的原因,來自於這種全新發現的材料架構在還沒有最佳化的情況下,導電性能就已經媲美氮化鎵甚至石墨烯,若進一步最佳化,其導電性能也可望大幅提升:「還有很多最佳化步驟可以做,特別是在材料的生長上;目前高品質樣本的奈米與微米等級導電性,與在氮化鎵或石墨烯材料上看到的都差不多。」

研究人員也看好這種新材料能超越傳統氮化鎵的應用領域,可望實現例如電動車或是迷你化電源供應器適用的更小尺寸、電流消耗更小、發熱溫度更低的電力電子;此外NTO/STO材料在太赫茲範圍的成功調變,也可望讓例如機場安檢掃描機尺寸大縮水,或是在敏感度上大幅提升。Sensate-Rodriguez指出:「在應用上,我認為有兩個方向,一是電力電子、一是太赫茲裝置例如調變器;但目前一個重要的研究方向,是如何有效調節電荷以實現主動元件。」

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猶他大學教授Berardi Sensale-Rodriguez
(來源:University of Utah)

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Oxides Make Ultra Conductor,by R. Colin Johnson)