凝態中心朱明文研究員與物理系郭光宇教授解開氧化物界面傳導電性之謎 發表Nature Communications

2004年，日本研究團隊在LaAlO3和SrTiO3界面發現「將兩個氧化物絕緣體接起來，它的界面居然變成導體」的新穎物理現象，震撼凝態物理學界。更由於其與半導體界面傳導二維電子氣two-dimensional electron gas之相似性，開創了氧化物電晶體的可能。此導電性界面同時具備超導性superconductivity、鐵磁性ferromagnetism、和意想不到的絕緣鐵電性（ferroelectricity），這些形形色色的物理現象不僅彼此不相容，同時是半導體界面物理學中不存在的自由度。LaAlO3和SrTiO3界面因而可說是學術與應用兼備的典範系統，三位主要發現者近年來屢獲國際物理學大獎。

然而，科學家對LaAlO3和SrTiO3界面系統的了解並非完全成熟。首先，界面導電性究竟從何而來？看似不相干乃至不相容的超導性、鐵磁性和鐵電性何以同時出現？其中又以界面導電性的起源最為關鍵，最有可能扮演揭開界面超導性、鐵磁性和鐵電性起源的鑰匙。解開LaAlO3和SrTiO3的界面導電性根源，於是成為眾多物理和材料科學家共同追逐的聖杯。這個12年來未解的難題在物理系暨凝態中心博士生－李培瑋16年來的努力下進入嶄新的階段。

在凝態中心朱明文研究員和物理系郭光宇教授的指導下，李培瑋博士生利用掃描穿透式電子顯微鏡scanning transmission electron microscopy和電子損失能譜儀electron energy-loss spectroscopy，以逐原子分析其化學、電子electronic、結構特性的方式，解開LaAlO3和SrTiO3的界面導電性源自於LaAlO3和SrTiO3介面應變strain誘發的鐵電性晶體自由度。分別存在於兩材料中的鐵電極化polarization以獨特的頭對頭方式指向對方並造成靜電排斥，系統因而產生傳導屏蔽screening電子氣來舒緩此排斥，LaAlO3和SrTiO3界面於是出現導電性和絕緣鐵電性共存之獨特現象。此突破性發現，更為界面超導與鐵磁共存提供一全新視角，供未來之理論與實驗工作探索。交大材料系朱英豪教授團隊提供高品質樣品與凝態中心陳正弦名譽教授提供寶貴的科學建議，亦是功不可沒。

過去12年來，LaAlO3和SrTiO3界面導電性起源一直處於由三位主要發現者詮釋的狀態，儘管他們的說法未獲普遍性認同。這是第一次有研究團隊可以突破此玻璃天花板，且是來自臺灣的全本土團隊，實驗工作更是由李培瑋博士生獨力完成，難能可貴。李培瑋博士生剛開始接觸這個領域的頭三年，都處於碰撞摸索階段，將完整的數據整理完畢已經是博士班第四年快結束，接下來更用將近兩年的時間將這些數據背後的物理意義作透徹的分析，才得以揭開此一關鍵物理問題的謎底，其沈著穩健的特質在同儕中出類拔萃。