神奇的二維材料─相關圖書與研究資源選介

引自Physics

科技的進步帶給我們生活許多便利,而這些都要歸功於我們對各類材料的開發與應用。由於不同材料的不同特性,讓我們得以生產各式各樣的東西,例如:金屬銅的導電性讓我們得以製作電路,橡膠材料的彈性讓我們可以製作各類輪胎,耐熱材料則提供我們製作防火器材等。而目前研究最熱門的材料莫過於二維材料,常見的二維材料包括有石墨烯(Graphene)和過度金屬硫化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMD)等。二維的結構讓這些材料具有特異的性質,2020年科學家更在Nature期刊發表可利用它們來模擬難解的Hubbard模型,以解開高溫超導機制1,2。本文將簡單介紹有關二維材料的最新研究成果及提供相關的圖書資源選介,希望能提供給有興趣的讀者參考。

一、常見的二維材料及特性

所謂二維材料就是指厚度可以達到非常薄甚至單原子層的材料3。最為人熟知的二維材料非石墨烯莫屬,石墨烯是由石墨製備而來,石墨具有層狀結構,層與層之間僅透過微弱的凡得瓦力連接,使用膠帶即可將其破壞,得到單層的石墨烯。在發現石墨烯以前,絕大多數物理學家認為,熱力學漲落不允許二維晶體在有限溫度下存在,因此它的發現立刻引起科學家的注意。其他常見的二維材料包括有過渡金屬硫化物、磷烯、Xenes等。

  1. 過渡金屬硫化物

其化學結構式為MX2,M為過渡金屬元素,X則為硫族元素。過渡金屬硫化物具有多種晶格結構,最常見的是具半導體性質的MoS2, WS2, MoSe2等。這些材料在塊狀時為間接能隙,但是在單層時為直接能隙半導體材料,因此亦可應用於光電產品。

  1. 磷烯(Phosphorene)

磷烯和石墨烯一樣具有絕佳的導電特性。除此之外,磷烯能藉由表面吸附鉀離子的方式控制能隙大小,範圍能控制在0~0.6eV之間,當磷烯的能隙控制在0eV時,其物理特性就和石墨烯一樣。因此簡單的說,磷烯可以說是能自由控制能隙大小的石墨烯。

  1. Xenes

Xenes泛指具單層結構的材料,主要包括硅烯(silicene)、鍺烯(germanene)、錫烯(stanene)等。這些材料與石墨烯一樣具有蜂巢狀結構,不過它們只能透過鍍膜的方式形成在基材上。目前主要的應用有場效電晶體(FET)或拓墣絕緣體(topological insulator)的研究等。

引自Physics

 

二、難解的高溫超導機制

除了這些層狀材料外,另外具高溫超導特性的銅氧化物材料(Cuprates)也同樣具有層狀結構。該類高溫超導材料主要由銅氧化物層和其他金屬氧化物層疊加而成,常見的有釔鋇銅氧化物YBCO、鑭鋇銅氧化物LBCO,以及目前臨界超導溫度最高的汞鋇鈣銅氧化物等。其他各類超導材料及其超導臨界溫度(Critical Temperature)可參考下列圖表。

引自Wikipedia

銅氧化物高溫超導體的超導機制與傳統的BCS超導機制不同。這類銅氧化物材料在未參雜時為具反鐵磁性(Antiferromagnetism)的絕緣體,不過在加入適當比例雜質後便會出現超導性,其相圖如下右圖所示。這類材料的特性科學家以Hubbard 理論模型來描述。該模型描述電子在晶格中除了具有動能t外,另外具有同晶格的交互作用力U(On-site interaction)。當U大時,系統會具強關聯性,並呈現Mott 絕緣態。當t≠0時,系統會有反鐵磁性。因此能適當的描述銅氧化物未參雜時的行為。不過,當考慮加入雜質時,系統如何由反鐵磁性變成高溫超導態,由於計算過於複雜,目前仍無法釐清其機制。

引自Physics

三、雙層石墨烯與高溫超導

2018年美國麻省理工學院(MIT)實驗團隊的發現4-6讓高溫超導機制的研究出現一道曙光。他們研究雙層石墨烯,發現當將兩個石墨烯以特定的夾角疊合時會形成特殊的moiré bands,其在不同的溫度及載體密度下將出現許多和銅氧化物材料類似的各種強關聯行為,例如Mott絕緣態與超導態等。其相圖如下圖(a)所示,與銅氧化物的相圖(如下圖(b))非常相像,他們將此特定夾角稱為magic angle,因此該雙層石墨烯系統便稱為Magic Angle Twisted Bilayer Graphene (MATBG)。由於MATBG的水平能帶(flat band)具有較低密度的電子氣,讓研究者更能夠透過實驗操控其電子行為,因此提供研究者更好的強關聯系統研究平台。

引自Physics

四、最新研究成果

雖然前述實驗結果似乎暗示MATBG與銅氧化物二者之間具有關聯,但是二者的物理機制是否相同卻仍尚待驗證。然而在2018年Fengcheng Wu等人7經過理論計算發現,如果改用雙層過渡金屬硫化物(TMD)將能模擬Hubbard 模型。該理論預測並在2020年由康乃爾大學的Jie Shan和Kin Fai Mak的實驗團隊1於雙層過渡金屬硫化物WSe2/Ws2系統進行moiré 激子(exciton)光學量測實驗獲得證實,相關研究成果並獲刊登於知名Nature期刊。由於Hubbard模型是銅氧化物高溫超導體的理論模型,因此未來或許科學家將能透過二維材料的量子模擬來解開高溫超導機制的秘密。

引自Nature

五、善用圖書館與資料庫尋找二維材料相關研究

  1. 圖書館專書論著

想了解二維材料或高溫超導的相關先備知識,您可以閱讀相關主題專書。至圖書館SLIM系統館藏目錄中,查詢“Transition Metal Dichalcogenide”或"High T Superconductivity"等,可查得以下專書論著:

  1. 期刊與其他類型研究文獻

想綜覽二維材料的最新研究,可查詢相關主題期刊文獻。至圖書館SLIM系統整合查詢中,輸入”Transition Metal Dichalcogenide”,並將結果限縮在”期刊文獻”,即可取得目前有關過渡金屬硫化物二維材料的相關研究文章。

另外,推薦您使用線上預印本(preprint)資料庫arXiv.org,許多物理領域的研究者會在研究正式發表前,提早在此宣告自己的研究成果,以獲取同儕的評論意見做為改善的方向 (詳細請參考此文章)。您可以在arXiv資料庫搜尋” Transition Metal Dichalcogenide”,並將檢索結果依照時間排序,了解最新的過渡金屬硫化物二維材料研究趨勢:

六、參考文獻

  1. Yanhao Tang, Lizhong Li, Tingxin Li, Yang Xu, Song Liu, Katayun Barmak, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Allan H. MacDonald, Jie Shan & Kin Fai Mak, “Simulation of Hubbard model physics in WSe2/WS2 moiré superlattices.” Nature 579, 353–358 (2020).
  2. “Physics Duo Finds Magic in Two Dimensions”, Quanta Magazine
  3. “2D Materials: An Introduction to Two-Dimensional Materials”, Ossila
  4. Y. Cao et al., “Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices,” Nature 556, 80 (2018).
  5. Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, P. Jarillo-Herrero et al., “Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices,” Nature 556, 43 (2018).
  6. Allan H. MacDonald, “Bilayer Graphene’s Wicked, Twisted Road”. Physics 12, 12.
  7. Fengcheng Wu, Timothy Lovorn, Emanuel Tutuc, and A. H. MacDonald, “Hubbard Model Physics in Transition Metal Dichalcogenide Moiré Bands,” Phys. Rev. Lett. 121, 026402.

 

by 物理系圖書室