二維材料：未來科技的新前沿

隨著科技的不斷發展，人們對於材料的需求越來越高，尤其是在新興領域的能源、電子、光電、生物等方面，對於高性能、低成本、綠色環保的材料需求日益增加。而二維材料作為新型材料的代表之一，已經引起了科學家和工程師的高度關注。筆者目前已研究二維材料相關元件（如圖一）超過十載之久^[1]，以下從幾個觀點切入，引導讀者在輕鬆的閱讀過程中，能很快了解二維材料裡的奧秘。

1. 為什麼要研究二維材料
研究二維材料是因為這些材料具有許多獨特的性質和應用潛力。二維材料是指厚度只有一至幾個原子層的材料，例如石墨烯（graphene）^[2] 和單層二硫化鉬（MoS2）^[3]。它們擁有非常高的比表面積和極薄的厚度（小於一奈米），因此具有十分特殊的物理、化學、電子和光學性質。例如，石墨烯因其高導電性和穿透性而被用於製造電子元件和觸控屏幕；二硫化鉬，則因其優良的光催化性能和電化學儲能性能而被用於光觸媒和電池等領域。

還有許多二維材料種類，各有其優勢可應用在電子、能源、催化、儲能、生物醫學等領域。

研究二維材料也可以幫助我們更好地理解物質的基本特性和性質的變化，對材料科學和奈米科技的發展有著重要的影響。

2. 二維材料目前發展的程度
自從2004 年發現石墨烯以來，二維材料的研究已有巨大的突破和進展。目前已經發現了許多種二維材料，例如二硫化鉬（MoS2）、二硒化鎢（WSe2）、氮化硼（h-BN）、黑磷（Black Phosphorus）等，科學家們分頭進行對這些新穎材料的製備、檢測、探索各自特殊的物理、化學和電子性質。許多二維材料依其原子結構相對位置的不同而造成相變化，使其擁有可調節的金屬性、半導體性和絕緣體性。

在二維材料的研究中，科學家們不斷開發新的合成方法和製備技術，以實現高品質、大面積、可控條件的二維材料要達到這些目標，必須了解二維材料的電子結構性質、光學性質、熱學性質、力學性質，充分利用各種物理原理和化學反應，更需要使用先進的儀器設備，如：電子顯微鏡、原子力顯微鏡、光譜儀、X 射線光電子能譜儀……等。基於紮實的科學研究後，才有機會將這些新穎材料應用到產業端所需要的電子元件、儲能元件、催化劑、傳感器等應用。

圖一:國立臺灣師範大學物理系原子級量子奈米元件實驗室，以二維材料（包含石墨烯、二硫化鉬和氮化硼）為基底製做而成的各類電子元件，例如場效應電晶體、反轉器、高頻元件、壓電元件和記憶體等。（藍彥文 繪製）

目前，二維材料已經被證明在許多領域有著極大的應用潛力，例如：在電子元件的應用有潛力超越莫耳定律（More than Moore），利用電子在奈米尺度所展現的特殊量子現象達到更好的元件性能。透過極小空間尺度來限縮電子的活動範圍，卻能讓我們擁有更大的自由度來探究電子行為，進而將這些奇特的效應實踐在需要的能源、催化、生物醫學等領域。因此，二維材料的研究在未來仍將是一個非常活躍且重要的領域。

3. 目前二維材料研究上的突破
近年來，二維材料的研究在許多方面取得了重大突破，以下是其中一些重要的發展：a）合成技術：科學家們開發了新的、高效的或可工業化的二維材料製備方法，例如：機械剝離、化學氣相沉積法和物理氣相沉積結合硫（硒）化法等，如再結合基板工程選擇（選用斜切基板或特定晶向基板）^[4] 和處理，更有機會能製備出大面積、高品質單晶、可控定位的二維材料。圖二為本實驗室利用化學氣相沉積法調整不同成長參數下，在不同的基板上（帶有二氧化矽氧化層的矽晶片和藍寶石基板）所合成出的二硫化鉬^[1]。

b）新材料的發現：發現了許多新的二維材料，如：二硒化鉭（TaSe2）、正立方相的氮化硼（c-BN）、磷化銦（InP）、硒化銦（InSe）等，這些新材料具有不同的化學、物理和電子性質，有機會在未來的電子學領域引領突破性的變革。

圖二：國立臺灣師範大學物理系原子級量子奈米元件實驗室，以化學氣相沉積法所成長出
具有不同形狀的二硫化鉬。各個主圖為光學顯微鏡圖，其中分別右上角的小圖為光致發光的影像圖。（藍彥文 繪製）

c）電子元件：成功地開發了一些新的二維材料電子元件，例如：電晶體、電容器（記憶體）、光伏元件、可撓性電子元件等，這些元件具有高性能和低功耗的優點，有望在未來的電子學領域有著重要的應用。

d）光學應用：探索了二維材料的光學性質，例如：表面等離子體共振、拉曼散射和非線性光學等現象，發現了許多新的光學應用，如：光電催化、光電子學、生物醫學等。

e）能源儲存：發現了一些新的二維材料在能源儲存領域的應用，例如：超級電容器、鋰離子電池、燃料電池等，具有高能量密度和長循環壽命等優點。
想像一下，當前生活中我們所使用的「三維」材料帶來的便利生活，如果換成二維材料應用在這些電子產品上，未來的世界將是如何呈現在眼前呢？

4. 二維材料研究上所觀察到新的物理現象
二維材料為物理研究拓展出更大的自由度，也替未來的我們開創了廣闊的視野，有更多有趣的現象還在不斷被發現和探索中。
以下列出一些二維材料研究上觀察到新的物理現象：

a）巨磁阻現象：石墨烯在一定溫度範圍內表現出非常高的磁阻比，這種現象被稱為巨磁阻現象^[5]。這是因為石墨烯的電子在磁場作用下產生自旋電子局域效應，進而影響了石墨烯的電傳導性質。

b）自旋－軌道耦合現象：自旋－軌道耦合是描述電子自旋和軌道運動相互作用的物理現象。在一些二維材料中，如過渡金屬二硫化物、過渡金屬氧化物等，觀察到了強烈的自旋－軌道耦合現象，這可能導致一些新的物理現象，如拓撲絕緣體、自旋軌道頻率轉換等。

c）拓撲物理學：二維材料在拓撲物理學中具有重要的地位，其中最為著名的就是石墨烯和拓撲絕緣體。拓撲絕緣體是指一種特殊的材料，其表面具有能夠傳導電子的邊緣態，而體積內部是絕緣體。這種材料可以應用於量子計算、拓撲量子計算等新興領域。

d）超穎材料（metamaterials）：二維材料可以被用作製備超穎材料的基礎結構。超穎材料是一種具有負折射率、超透鏡等非常獨特的光學和電磁性質的材料。二維材料可作為超穎材料的基礎結構，使超穎材料的性能更加優異。
二維材料的出現就像是把原子結構當作樂高積木，透過不同的創意堆砌出有趣又創新的物理世界，顛覆人們的想像。

5. 二維材料研究上目前遇到的問題
儘管二維材料的研究已取得了一些重要的進展，但仍然存在一些挑戰和問題^[6]，例如：
a）製備問題：製備高質量、大面積的二維材料仍然是一個挑戰。現有的製備方法，如：化學氣相沉積、機械剝離等，需要極其嚴格的條件和技術，而且製備過程中易受到污染和缺陷的影響。

b）物理性質理解問題：儘管二維材料的物理性質已經得到了很好的理解，但仍然存在一些未解決的問題，如電子和聲子的相互作用、量子霍爾效應的來源等。

c）應用問題：二維材料的應用面非常廣泛，但目前受限於材料穩定性，尚未出現能夠廣泛應用的具體產品，面臨的問題包括穩定性、可靠性和可製造性等。

d）環境和健康問題：二維材料的應用和研究需要考慮其對環境和健康的影響。例如，某些二維材料可能對生物體產生毒性或對環境造成污染。

二維材料的研究和應用面臨著多方面的挑戰和問題，需要在製備、物理性質理解、應用和環境健康等方面進一步加強研究。

6. 二維材料研究與產業連結的現況
二維材料的研究已經進入了測試實際應用的階段，與產業的聯繫和合作也逐漸增加。透過科學與產業的連結，有一些具體的實：

a）產業聯盟：許多研究機構和產業企業組成聯盟，共同進行二維材料的研究和開發工作，實現產學研合作，推動新技術和新產品的應用。

b）創新研究中心：許多研究機構和產業企業建立了二維材料的創新研究中心，專注於二維材料的研發和應用。這些創新中心提供技術支援、人才培養和實驗設備等方面的資源，促進二維材料的產業化。

c）投資和資助：許多產業企業通過投資或資助方式支持二維材料的研究和開發工作。例如：一些企業通過購買二維材料的專利權、投資研究機構、提供資金等方式支持二維材料的研究和應用。

d）商業化產品：一些二維材料的商業化產品已經開始進入市場。例如：某些二維材料已經應用於柔性顯示器、太陽能電池、電子產品等領域。

二維材料的研究和產業應用已經開始要走向實際應用，並且與產業的聯繫和合作逐漸加強。隨著技術和應用的不斷發展，二維材料在更多領域的應用也將得到推廣和擴大。

總結
二維材料是一種具有量子效應和奇特物理現象的材料，擁有非常廣泛的應用前景和研究價值。儘管存在著製備、穩定性和應用等多種挑戰和問題，但研究人員正在透過不斷的探索和研究來克服這些困難。筆者目前的實驗室也從不同的研究方向來釐清並解決相關的問題^[1]，相信在未來的日子裡，二維材料將會有更重要的突破，有望融入未來生活的應用。

目前二維材料領域仍需要非常多年輕學子和有研究熱忱的人，以各種好奇和創新的角度投入研究開發。未來隨著技術的不斷發展，相信二維材料將會成為科技領域的新前沿，為我們的生活帶來更多的便利和願景。

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參考資料：
[1] http://web.phy.ntnu.edu.tw/~ywlan/
[2] Geim, A., Novoselov, K. The rise of graphene. Nature Mater 6, 183–191（2007）.
https://doi.org/10.1038/nmat1849
[3] Radisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J. et al. Single-layer MoS2 transistors.
Nature Nanotech 6, 147–150（2011）. https://doi.org/10.1038/nnano.2010.279
[4] Li, T., Guo, W., Ma, L. et al. Epitaxial growth of wafer–scale molybdenum disulfide
semiconductor single crystals on sapphire. Nat. Nanotechnol. 16, 1201–1207（2021）.
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00963-8
[5] Xin, N., Lourembam, J., Kumaravadivel, P. et al. Giant magnetoresistance of Dirac
plasma in high-mobility graphene. Nature 616, 270–274（2023）. https://doi.
org/10.1038/s41586-023-05807-0
[6] https://www.utmel.com/blog/news/other/opportunities-and-challenges-for-2dmaterials