研究焦點

研究成果概述

過渡金屬二硫屬化物單層材料因具備直接能隙、強激子響應，以及可透過外加電場調控的光學特性，被視為次世代光電元件、可調式發光元件與量子光子學的重要材料平台。這類材料僅有原子級厚度，卻能展現豐富的多體交互作用，形成如三激子、雙激子與暗激子等多種準粒子態。透過閘極電場調控，這些激子態的發光強度與光電響應皆可被主動控制。然而，過去二維材料光電元件多仰賴機械剝離製程，雖可獲得高品質樣品，卻難以大面積製造與元件陣列化；另一方面，即使能成長大面積單層二維半導體，如何在室溫下有效控制其發光強度與激子態，仍是推動二維材料走向實際應用的關鍵挑戰。特別當使用傳統矽基閘極時，會因功函數匹配不佳與光耦合效率不足，導致發光調控程度受限。

為突破此瓶頸，本中心呂宥蓉副研究員所帶領的研究團隊與東京大學化工系 Vincent Tung 教授團隊合作，成功結合「原子級平坦之氮化鉿（HfN）電漿子閘極」與「大面積單晶單層二維半導體材料」，建立出一個可於室溫下運作、具晶圓級可擴展性與高效率電控發光能力的新型二維材料光源平台實現高效率三激子 (Trion) 發光調控。補充說明三激子是二維材料中的一種量子準粒子，是由兩個電子與一個電洞，或兩個電洞與一個電子，透過庫倫交互作用結合而成的帶電激子。本研究使用可大面積成長的單層 MoS₂，並將其整合於具有可調功函數、高導電性與電漿子特性的 HfN 閘極上。HfN 的功函數約為 4.65 eV，閘極電場調控下可促進有效界面載子累積及三激子形成，使元件在施加閘極偏壓下可達約 24% 的光致發光調控幅度，約為傳統矽閘極元件的五倍，且可在超過 5,000 μm² 的可調區域中穩定運作。團隊不僅證明大面積單層MoS₂可保有接近機械剝離材料的光學品質，也進一步展現本實驗室長期發展之過渡金屬氮化物 HfN 可作為二維材料元件中的新型功能性閘極材料。相較於傳統貴金屬或矽基電極，HfN 屬於陶瓷電漿子材料，具有高導電性、熱穩定性、獨特電漿子光學性質。其原子級平整表面有助於整合二維材料異質結構，對於未來發展可大面積製造、低損耗且可與 CMOS 製程相容的二維光電元件具有關鍵意義。透過電漿子共振腔設計與 MoS₂ 的中性激子與三激子能階匹配時，奈米共振腔可將電磁場場高度侷限於極薄二維材料並促進電漿子與三激子的耦合，大幅增強局域光場與輻射複合效率。團隊成功實現可擴展、室溫操作且高效主動調控的單層二維半導體發光平台。未來有望應用於晶片上可重組光源、可見光通訊、低功耗光電調變器，以及二維材料量子光電元件等前瞻科技。

本研究第一作者為臺灣大學應用物理所博士班學生彭梓育與共同第一作者林承翰 (現任職於美光科技)。共同作者包括本中心施閔雄研究員團隊支援電調控光電元件量測技術、中研院原分所許良彥研究員團隊協助多體理論計算、國家同步輻射中心許紘瑋助研究員協助紫外光電子能譜量測。本研究特別感謝應科中心核心設施計畫、中研院計畫、國科會計畫與日本科學技術振興機構研究計畫支持。研究成果已於2026年5月25日發表於國際期刊《自然光子學》(Nature Photonics)。