半導體元件介面工程實現無電壓量子電子態雙向調控

在半導體微縮技術面臨物理極限之際，如何在不施加外部電壓的條件下精準調控量子電子行為，成為下世代元件設計的核心概念。臺大物理系特聘教授邱雅萍團隊與產學研跨機構合作，研究發現透過半金屬鉍(Bismuth)奈米薄膜與二維半導體薄膜(MoS₂)的介面接觸工程設計，結合莫爾位能(Moiré potential)與鉍奈米薄膜的量子侷限效應，可在無需外加電壓的條件下，於水平與垂直2個方向精準調控量子電子的空間排列與侷限行為，相關成果已刊登於Nature Communications《自然通訊》期刊。

此研究最具未來潛力實用之處，在於所設計的材料系統毋須外加電壓，即可誘發電子的空間侷限效應。這項特性對發展「電荷量子位元」與「超低功耗元件」具有材料基礎意義，有望為下世代量子運算與節能半導體晶片提供新的設計方向。

研究所使用的異質結構，由2層以小角度堆疊的二維半導體薄膜(MoS₂)，以及鉍(Bismuth, Bi)半金屬奈米薄膜共同組成，運用原子級掃描穿隧顯微術，對此異質結構中的電子行為進行直接觀察。

研究的核心設計利用2種方向的物理機制調控電子行為：水平方向上，小角度雙層堆疊所產生的「莫爾位能（Moiré potential）」將電子侷限於特定位置；垂直方向上，鉍薄膜厚度所對應的量子效應改變電子的有效質量。2種機制協同作用，使電子在空間中呈現特定的排列構型，形成所謂的「雙向量子調控」。

研究發現，改變鉍薄膜厚度可調整電子的有效質量，進而影響電子間庫倫排斥、莫爾位能與動能之間的相對關係。當薄膜較薄時，電子有效質量較小，傾向靠近聚集，形成類似分子(Molecular-like)鍵結的「三聚體(Trimer)」構型；當薄膜變厚，電子有效質量增加，排斥作用相對增強，電子彼此推開，排列成具有周期性的「類籠目(Kagome-like)」構型。這種藉由薄膜厚度即可切換電子排列構型的能力，展示半金屬介面工程在量子材料調控上的獨特優勢。

此研究為產學研跨機構、跨領域合作成果。臺大物理系特聘教授邱雅萍團隊負責核心原子級實驗量測與分析；中研院原子與分子科學研究所所長/特聘研究員魏金明及臺大重點科技研究學院教授周至品團隊提供理論計算重要支持；台積電研發團隊提供高品質半導體樣品。

此研究感謝國科會A世代前瞻半導體專案計畫、台積電臺大聯合研發中心、台積電前瞻研究計畫、臺大與中研院創新性合作計畫，以及教育部高教深耕計畫與臺大新穎材料原子級科學研究中心(AI-MAT)經費支持。