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作者、圖片來源：謝雅萍副研究員（原子與分子科學研究所）

當我們拿起手機滑社群軟體、用平板看影片、敲筆電努力工作時，是否曾想過，這些日常生活的必需品，是如何變得越來越輕、薄，且效能更高的呢？除了軟體、晶片的升級外，還有另一個關鍵，就是藏在晶片裡的材料創新！本院原子與分子科學研究所謝雅萍副研究員的實驗室，就致力追求製造更薄、更高效、更節能的晶片二維材料。現在就跟著編輯團隊一起走進謝老師的實驗室，一起看看全新的二維材料是如何「長」出來的。

打開二維材料的新世界　從「看見」原子到「操控」原子

「電晶體」是晶片中最基本的運作單位，一顆晶片往往內含數十億個電晶體，負責進行各種運算與訊號處理。二十年前，科學家首次發現了僅有一層原子厚的二維材料，為電晶體的微縮之路開啟全新契機。現在，電晶體已經可以微縮到奈米等級，比紙張還薄一萬倍，而電晶體的持續微縮與最佳化，正是推動晶片效能提升的關鍵動力！

在過去，光是想「看見」原子就是一項艱難的技術挑戰；如今，我們不僅能看的見，還能進一步像堆積木、貼貼紙般操控、轉印、堆疊原子層的排列狀態（圖一），探索嶄新的物理現象！

MY-Lab的目標：晶圓等級的二維材料

「MY-Lab」是我們實驗室的名稱，自創立以來，我們的目標就是打造出高品質、晶圓尺寸的單層材料，因為這是二維材料真正可以運用在晶片上的關鍵。所以僅僅「做出」材料還不夠，還要達到「單晶品質、均勻單層、晶圓面積」的三項標準，換言之，這些材料需要像單晶體那樣整齊有序、厚度均勻，而且要能覆蓋整塊晶圓，並與現行的半導體製程技術相容。

目前半導體產業中最關鍵的材料製備技術之一，稱為「化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）」，是製造晶片時常用的一種材料鍍膜方法：透過氣態前驅物在高溫下進行化學反應，將原子一層層「長」在基板表面。

看似容易，實際上，要讓這些超薄的原子層長得整齊、覆蓋整片基板，其實非常困難。目前二維材料與基板之間，僅靠微弱的凡德瓦力 （van der Waals force）吸附在一起，所以，它們容易歪斜、堆疊不均勻，難以如傳統材料般整齊排列，並外延成長為單晶體。（註：「凡德瓦力」（van der Waals force）是原子或分子之間的一種弱吸引力，不涉及化學鍵結，卻能讓材料間稍微黏合，就像暫時的靜電吸力一樣，是許多奈米材料、二維材料中關鍵的微觀作用力來源。）

在二維材料中，又屬MXene（二維碳化物／氮化物）特別難駕馭。這種材料具有高強度及高導電性等應用潛力，但以往常見的「化學剝離法」常常只能得到微米級的成果。所以即使科學家們發現了許多新穎的物理性質，卻常因為尺寸的限制，而一直無法擴展至元件應用。而MY Lab透過實驗室獨特的「限域生長技術」，已成功實現用二維材料製造大面積單層晶圓。

中央伍為準！讓原子乖乖排隊的秘密

為突破上述瓶頸，讓原子「自己排隊」，我們實驗室發展出獨特核心技術——「促進劑限域法」，成功讓原子自行長出範圍廣、結構一致的單晶薄膜，突破了以往的技術瓶頸（圖二）。簡單來說，這個方法就是利用特定的促進劑所提供的侷限空間，控制氣體擴散與反應條件，引導原子依序排列，讓原子自己排好隊，提升結晶的穩定性與一致性。在我們的實驗中，使用的是催化活性適中的金屬觸媒：銅（Cu），而銅也同時扮演著催化與侷限空間的雙重角色。

藉此專利的限域生長設計，我們得以穩定合成出晶圓級的單層石墨烯、二維硫族化物發光半導體（TMDC），以及首片來自MXene家族的單層大面積二維氮化物（W₅N₆）（圖三）。這樣的研究成果不僅是材料學的突破，也為實際應用開啟無限可能！

新材料誕生！下一站：健康檢查

材料「長出來」後，就得先進行「健康檢查」，以確認其結構與特性。因為這些二維材料真的太薄了！我們在實驗室設置了快速檢測站，結合多種儀器的觀測與理論的模擬，並進行交叉比對，可即時掌握材料品質並調整成長參數，確認這些材料的結構是否穩定。沒問題之後，才能開始應用測試。

我們在MY-Lab的一個小角落，自行搭建了一座簡便的黃光室（圖四）進行製程測試。我們利用簡便的顯影流程，包含：微影和圖案化技術，把材料製作成能夠實際運作的微小元件，例如：場效電晶體（FET）、熱電元件，以及電化學與磁性元件等，目的是為了驗證我們製作出來的新材料是否能夠真的被實際運用。同時，我們也自製了一套光電磁性元件量測系統（圖五），是一個可以幫助我們測試材料在光學、電性及磁性方面表現的應用平台。

雖然我們並沒有昂貴的大型設備，但我們有獨家的技術、有靈活的思考能力，善於整合與分析，可以透過自製的設備，快速驗證材料潛力並反向優化製程，大幅提升研究效率。

理論與技術的全方位訓練　經驗無私相互傳承

能有這樣的研究成果，除了大家努力不懈，還要歸功於MY-Lab各個身懷技藝的學生們（圖六）。他們從材料成長、結構鑑定、物性量測到元件製作，每個環節都習得紮實理論基礎。除了理論知識，他們還需要日復一日穿梭於各項儀器之間，每天操作高溫爐、進行黃光製程、執行光學與電性量測、進行模擬與數據分析，培養出熟練的技術。研究過程的每道程序，都有特定的理論與技術門檻，使整體研究流程成為一場高強度且需要「過五關、斬六將」的全方位訓練！

MY-Lab能有今日如此多面向的研究能力與自製設備，來自長期以來學長姊們無私的經驗傳承，與團隊間緊密的合作默契。在這樣的氛圍中，學生能在有限時間內培養獨立思考與跨領域整合的能力，並掌握材料研究的多個層面。期許他們未來能盡情發揮對科研的熱情與抱負，並將在MY-Lab所養成的研究方法與態度，應用在未來的工作與人生旅程中。也希望有更多對這個領域感興趣的人，加入我們的研究行列！