探測奈米元件中奈米晶粒的躍動現象

所有固體中，都存在著或多或少的缺陷。有些缺陷來自於晶格空穴，這些空穴與鄰近原子之間可能形成「二能級系統（two-level systems, TLSs）」，使得一顆∕一團原子在空間緊鄰、能量又相近的二個位置∕晶格組態之間來回躍動，構成一種「動態結構缺陷（dynamical structural defects）」，簡稱「動態缺陷（dynamic defects）」，如圖1(A)所示。二能級系統的概念早在1972年就由P. W. Anderson（1977年諾貝爾物理學獎得主）與W. A. Phillips等人分別提出，用於解釋非晶態材料的低溫比熱與熱傳導的奇特行為。這種動態缺陷的自發性反覆來回躍動（fluctuations或repeated switches），對奈米尺度元件的效能會造成惡性影響。例如，造成超導量子位元量子糾纏態破壞，降低量子同調時間；造成奈米機電（NEMS）元件能量耗散，降低其品質因子（quality factor），進而影響量子極限量測的能力；和造成低頻雜訊（1/f noise），影響奈米電子元件的性能等。

  幾十年來的研究證實，動態缺陷大多源於單顆原子在空間中的躍動，稱為「原子二能級系統（atomic TLSs）」。至於材料中的奈米尺度晶粒（nanocrystalline grain）——包含上千、甚至上萬顆原子——是否也能如原子二能級系統般，在二個晶格組態之間來回躍動，則是科學文獻中的一個長久未解之謎？圖1(B)表示我們稱之為「晶粒二能級系統（granular TLSs）」的理論模型，二個介穩晶格組態被位能障VB分隔，晶粒可以藉由熱激發（高溫時）或是量子穿隧（低溫時）在二個位能阱之間不斷反覆變換位置。

圖1、原子二能級系統與晶粒二能級系統示意圖
 

就基礎研究層面而言，如某些特殊磁性材料中，電子自旋會形成晶格般的有序排列結構（skyrmions），此結構的邊界，最近被發現乃是由材料中原子晶格的晶粒邊界所衍生。因此，材料中的晶粒如果產生躍動行為，將導致這類自旋排列邊界的擾動，從而影響skyrmion的動力學性質。就技術應用層面而言，工業上對量產與大面積材料的強烈需求，使得市面元件大多呈多晶體（polycrystalline）結構。如大面積化學氣相沉積的石墨烯，薄膜矽奈米線生物感測器等都是。倘使奈米尺度晶粒產生躍動，將嚴重影響這類元件的精密效能。因此，晶粒二能級系統具有重大和即時的產學研發意義。

  最近，我們在室溫下觀測到二氧化釕（RuO2）金屬奈米線中奈米晶粒的自發性整體來回躍動行為。高解析穿透式電子顯微鏡的影像顯示，二氧化釕奈米線內部含有許多奈米尺度晶粒，如圖2(A)中G1到G6黃框所標示。






二氧化釕中的氧缺陷（空穴），則會形成原子二能級系統，很可能大量處於晶粒邊界，因此造成晶粒之間的鍵結減弱，從而產生晶粒轉∕滑動現象。


 

圖2、RuO2奈米線的高解析穿透式電子顯微鏡影像，和電性量測裝置圖
 

圖3、RuO2奈米線電阻率隨時間擾動的數據