台湾物理研究发展概述（中）

韦大成++李旭丰

凝聚态物理

据统计，在台湾从事凝聚态（固体）物理研究的人员约占物理总研究人员的一半左右，几乎所有岛内大学的物理学系/所都开展这方面的研究，主要集中在高温超导体与磁性材料、光电材料、半导体、表面物理特性、液晶、薄膜、纳米材料、非线性光学材料和超快光源等领域的研究，其成果数不胜数。

例如在高温超导体与磁性材料方面，以往研究成果包括：进行单电子晶体管及自旋磁电子穿隧实验，研究穿隧效应及自旋磁电子等的磁阻、元件制作及理论，发现超导、磁性及穿隧与介面有重要的影响；开展磁性薄膜的磁化结构及磁化过程实验研究，了解磁性超晶格及多层膜等复合结构的物性、穿隧磁电阻的物理机制、交换偏耦合、纳米庞磁阻薄膜及如何制作磁性动态随机存取存储器；以高难度的微样品比热技术，在新超导硼化镁材料上，证明特殊超导能隙；利用先进的电子束微影技术，制作一维阵列的极微小超导量子干涉元件，再用外加磁场控制超导耦合能量的大小，控制超导绝缘的相变；计算第二类超导的Vortex液体与固体的比热与磁性，验证高温超导自旋扰动对穿隧光谱效应；首次发现磁性耦合的最佳化机制；利用核磁共振对镓同位素样品进行研究，发现磁性、弛豫时间与拉摩频率有关；发现镧系超导材料的比热与温度比函数在2K以下有一个不寻常的凹陷；精确计算第二类超导体涡流的磁化率与比热；发现在一系列铈铝合金中的磁序与近藤（Kondo）效应共存现象；观察到超微小物质尺寸变小至纳米尺寸后产生的磁相转变效应；磁性-超导-磁性单电子晶体管的自旋传输；一维约瑟芬矩阵的超导-绝缘量子相变等。

继2008年初日本东京工业大学细野英夫等人首次发现铁基超导体，推翻磁性材料不可能超导的假设之后不久，台湾中研院物理所超导体研究团队在同年创新发现一种结构更简单、且安全无毒、更容易制造的铁基超导材料，目前的超导转变温度为绝对温度30K，颠覆了以往科学界一直认为只有像铜氧化物这类反铁磁绝缘体才能成为高温超导体的认知。该研究团队还发现，通过电化学方法调整其中钾离子含量，可以改变这类铁基超导材料的电性或超导性，甚至在6K以下进入了新发现的“磁玻璃”物理态。

2010年，台湾大学研究团队与加拿大科学家合作，利用同步辐射光源及中子散射实验，成功探测出氯化氧钛与溴化氧钛磁性材料中磁矩对的形成细节，特别是在磁偶对形成之前的先期交互作用，同时该团队也头一次发现了磁激态单态到三重态的证据，显示这些磁矩在低温时会形成一特殊成对磁矩而进入更低能态。

在磁性半导体与磁性绝缘体中，磁振子-声子经由薄膜样品基板的交互作用扮演重要的角色。中研院物理所李尚凡等人2011年首次以实验证实，藉由热激发的非对称自旋电动势也可经由垂直膜面的温度差来驱动。此发现有助了解热激发自旋电子学的机制与过程，证明了垂直膜面的温度梯度所导致的异常能斯特效应是所观测到信号的主要成因。

在光电材料与半导体特性方面，台湾科学家以往的研究成果包括：研制新型具极宽光学增益频宽的Ⅲ-Ⅴ族半导体发光元件，研究其发光物理机制；发现带有涡旋相位的光束在自聚焦材料中形成空间光孤子，打破以往认为带有此种相位的光孤子因径向不稳定性而不能存在的理论；首次观测到Q开关微型固态薄膜激光中所出现的光孤子行为；研制应用于超荧光发光二极管和极短脉冲宽度的锁模二极管激光；利用飞秒激光技术研究宽能隙氮系半导体薄膜的近能隙载子和声子动态，发展薄膜特性多光子显微分析技术；利用改良式电子绕射/成像光学技术，比热测量研究前瞻性液晶分子薄膜的相变和结构，增进对软材料的分子构形和其凝态结构的了解；发展多光子共焦光学显微术在半导体薄膜及生医检测方面的应用；利用X光吸收光谱方法，测量含氮钻石薄膜的原子、电子结构与电性；用扫描隧道电子显微镜观察磊晶生长的机制，发现可于室温下在硅表面生长平坦的锗薄膜；发现在适当的成长条件下，金属镓会在硅表面结聚出大小约1纳米结构特别稳定的奇异原子团；以半导体硅制作的单电子晶体管；异植结构砷化镓/铝砷化镓元件的自旋注入现象；二维硒化镉光子晶体制作；探讨在金属表面上各种原子团扩散行为的理论基础；发现硅表面上的硅奇异原子团随着电流而产生的异常流动现象；发现离子轰击钻石表面会发生一种自发性的纳米波纹结构等。

同步辐射中心黄迪靖等人利用同步辐射光源，克服多层技术瓶颈，发展尖端软X光吸收与共振散射实验技术，研究前瞻性材料的微观电子与磁性结构。例如首次发现四氧化三铁电荷及轨域有序排列的决定性实验证据，揭开其金属转变为绝缘体之谜，解决过去60多年来科学界的争议。

台湾“中央”大学研究团队2007年利用低密度铟砷化镓量子点完成高品质的光子晶体单光子光源之后，进一步制作高稳定温度的单光子光源，操作温度范围在7至60K之间，单光子辐射纯度在85%以上，适合量子密码的应用。

台湾大学物理系蔡定平教授领导的研究团队2009年与英国科学家合作，结合超颖物质结构的纳米光学计算与设计、制作、测量与纳米光电元件、系统的应用开发等进行一系列的研究，其中藉由设计特殊的超颖物质晶格结构，搭配上适当的电磁波入射，在非手性超颖物质中，获得手性结构才拥有的光学性质来验证超颖物质的特殊光学性质。另外，他们还制作并验证了可调变波长的自由电子纳米光源——光井，实验验证了非同调的近红外纳米光源，藉由调整超颖物质结构的周期，可使出射的光波范围延伸到兆赫波或紫外光波段，同时，增加其孔洞的深度，可获得频宽较窄的出射光。

2010年，台湾科学家利用单晶成长光学聚焦浮区法，成功制备出极高纯度且品质稳定的大尺寸NaXCoO2单晶，并且运用电化学嵌入法，对长成单晶做进一步的钠离子成分准确调控，制备出全世界最纯与最稳定的一系列单晶样品，在热电、电池与超导材料发展上具备极大潜力。

由于光子的运动速度远超过电子，目前的信号产生器受限于电路速度，仅能制造出微波至无线电波范围的波形，无法制造光学波形。台湾中研院原子与分子所孔庆昌等人利用分子调节法产生5种不同的和声，经由操控其相位与振幅，合成出即时光场，并导出周期性的锯齿、方块或子循环弦波等实体波形的函数脉冲。这项突破性的创新成果将帮助科学家进一步开发出全光学波形的合成器。

2011年，台湾中研院物理所研究团队开展双栅极双层石墨烯元件研究，首次实验验证场效热电效应，已超越一些常见的低温热电材料。此现象的核心物理机制源于电场衍生之反对称性破坏造成了能隙的产生，进而增加能带曲率。此外，热电能的极性也可简单运用栅极电压来调控成为电子型或空穴型。此成果提供了热电相关研究领域一个全新的发展方向。

在纳米材料特性方面，台湾科学家以往的研究成果包括：研究纳米材料量子尺寸效应的电性、热性与磁性，并发现量子尺寸效应导致“非磁性近藤效应”的相转变；由低温比热特性分析发现，当纳米尺寸的化合物粒子逐渐变小至纳米尺寸时，磁转变临界温度会逐渐消失，而属于近藤效应的熵大增；利用扫描隧道电子显微镜加一电脉冲，可以在硅表面制造纳米级的二维凹陷或突起的二维硅岛，纳米结构在400℃以上会逐渐变小直到完全消失；发现铝纳米尺寸岛屿的成长受到量子局限效应的影响，其层间距离与层数有振荡性的变化关系；以电子束曝光、显影及蚀刻技术，制作线宽约30纳米的细线，以这种技术，可在基板任何指定的位置上制作几乎任意形状的金属线或半导体线；开发新制程以制作微小单电子晶体管及光子晶体，单电子晶体管可作为极灵敏的存储器元件，而光子晶体可作为超小型的光波导管。

近几年的研究方向则集中在纳米结构、金属/绝缘体/金属隧道结、半导体纳米线等低维系统的研究，主要探讨的物理问题涵盖量子传输、电子相位相干时间、氧化锌纳米线的导电机制、纳米接点、普适电导涨落、奇异近藤效应和动态结构缺陷的低温动力学行为等表面物理与纳米尺度和多体课题。

例如2006年，台湾大学凝态研究中心林丽琼等人以首创的微反应器设计，制作“纳米豆荚”，即零维与一维复合式纳米线，其中纳米线采用二氧化硅等介电材料，包覆的零维结构则是金纳米颗粒。利用金纳米颗粒在绿光波段有很强的表面等离子体共振现象，光吸收大为提高而产生光致导电的特性，可将其作为具有波长选择性的光纳米开关。该团队还致力于研发直接成长氮化镓纳米线在芯片上的制程，成功做出全球首创桥接光电元件，并发现其光致导电感应系数超越磊晶薄膜5个数量级。

2007年，台湾中研院原子分子所研究人员发现，利用微波等离子体系统在硅芯片上产生一种针尖状的纳米结构阵列，镀上金、银的纳米颗粒之后成为表面拉曼光谱的绝佳基板，适合探测各种化学与DNA等生物分子。这种简易、非周期性的硅纳米针尖阵列可以有效消除光反射，抗反射功能涵盖紫外光、可见光、红外光以至太赫兹（THz）电磁波，并且对各种入射角的光线都有效，将来可以用来增进太阳电池的效率，甚至可以应用在反隐形探测用途上。

台湾研究人员2008年利用自行研发的超高真空扫描隧道电子显微镜系统，通过操控纳米颗粒及裁减、修饰碳纳米管，把一颗3纳米直径的银颗粒放在碳管最前端，量得共振频率大幅降低，结果制成可测量纳米颗粒原子质量的“原子秤”。此后，学界即不断增进其质测量的精密度，目前最佳的解析度约为10-19克。

此外，台湾研究人员将一根磁性镍纳米线悬吊在一个掏空的硅基板上，并以自行开发出的技术测量出它的导电率与热传导率，发现在纳米尺度下，热、电传输行为与一般材料大为不同，受到纳米线的结构与内在缺陷所压制，且热流比电流受到更大的压制。

从2002年起，台湾科学家就研究以等离子体辅助式分子束磊晶技术，在硅基板上生长高品质三族氮化物半导体纳米光电材料，包括氮化铝、氮化镓、氮化铟薄膜、纳米柱阵列及量子点材料等。2009年，他们完成了氮化物半导体磊晶薄膜与纳米结构的基础物性研究，成功地在硅基板上生长出全彩及白光氮化铟镓/氮化镓纳米柱发光二极管元件。

藉由太阳光的照射分解水产生氢气，是目前许多最具有发展潜力的绿色能源方案之一。台湾中研院原子分子所陈贵贤等人研制的碲化镉量子点与氧化锌纳米线结合的纳米结构，可以作为光解水产生氢气的良好材料，转换效率可达到1.83%，是目前使用纯氧化锌纳米线元件转换效率的一倍以上，且具有长时间稳定运转的特性。

2011年，台湾研究人员经由精细测量和分析低温弱局域效应，发现无论是在弱无序或是准弹道的纳米尺寸样品中，电子-横波声子散射强度都远大于电子-纵波声子散射强度，并定量决定出电子-横波声子散射率的温度变化关系，对厘清传统固体物理理论的认知与纳米电子元件的实际应用具有深远影响。通过对弱无序和准弹道条件下金属中的电子-声子散射机制的崭新观测及对传统的，并促成新理论的诞生。

通过极低温下的电子相位相干时间的定量测试，台湾研究人员证实在非弹性电子-声子散射和电子-电子散射之外，还存在有动态结构缺陷引起的电子相位破坏过程，激发起了国际上对趋近于绝对零度时的电子相位相干时间特性的深入理论与实验研究。该研究团队近几年同时进行纳米导线的研究，开展单根金属以及半导体纳米线的低温电性测量，以探讨纳米线的本征电子传输特性，研发出制作次微米电极的电子束微显影和聚焦离子束技术，以及纳米线在低温下的微小信号电性测量技术，完成了单根金属纳米线和半导体纳米线的四点大温度范围测量。再根据累积多年的丰富研究经验，深入解释了纳米线中的各种微观物理机制，如首次提出自掺杂氧化锌纳米线中的劈裂杂质带导电机制等。

此外，他们还发现氧化钌金属纳米线中的随时间起伏的普适电导涨落，以及锡掺杂氧化铟纳米线中的随磁场扰动的普适电导涨落，和可调控的自旋-轨道耦合强度等。除了利用四点测量法探究单根纳米线的本征物理特性，他们还发展出了一套二点/三点测量法，测得次微米金属电极与单根金属纳米线之间的接点电阻的温度行为，并解释纳米接点的微观导电机制是由热扰动引致隧道导电过程主宰。这些针对单根纳米导线的定量研究及深入理论分析，在世界上占有极为前沿的地位。