凝態科學研究中心朱明文與林昭吟團隊發現新穎氧化物界面一維電子線 刊登Nature Communications

二十世紀最成功也最廣為人知的科技成就中，半導體界面物理學當屬其一。從半導體電晶體於1947年的誕生，到近代奈米積體電路的發展，無不以形形色色的電子產品型式，影響每個人的日常生活。半導體科技如此成功的關鍵之一，在於科學家們已可以精確掌握半導體製程中自然出現的界面應力（strain）與晶體缺陷（defect）對攜帶數位訊息之半導體界面二維電荷（two-dimensional charge density）的影響。

二十一世紀初（2002年），亦即在半導體界面物理學出現將近六十年後，意外地，科學家們發現了氧化物界面也可以出現二維電荷，開啓一個新穎的凝態科學領域 ¾ 氧化物界面物理學。發展十餘年來，氧化物界面物理學與半導體界面物理學間的諸多異同之處，漸次被掌握。對比於成熟的半導體電子（semiconductor electronics），氧化物電子（oxide electronics）的可能性於是在近年來一躍成為凝態科學的核心問題。了解並掌控應力、晶體缺陷對氧化物界面二維電荷的影響更是當務之急。

由臺大凝態中心朱明文副研究員所主持的掃描穿透式電子顯微鏡實驗室，利用掃描穿透式電子顯微鏡，在原子尺度下發現錳氧化物與鈦酸鍶（NdSrMnO3/SrTiO3）所形成之氧化物界面，因調節界面應力的需要會自然產生週期性之一維錯合差排（one-dimensional misfit dislocation）缺陷，使得應力只出現在以差排為中心的圓形應力場（strain field）內，差排間的殘餘應力幾可忽略。更進一步地利用原子級電子能量損失譜化學成分分佈與定量分析技術，領先全球地發現，原本均勻分佈於該界面之二維電荷全部自動匯聚至差排應力場內，進而在氧化物界面處形成一維電子線，反觀差排間應力釋放區域則呈電荷空乏狀態。共同通訊作者清華大學物理系教授暨中研院物理所研究員鄭弘泰，經由相關總體能量理論計算，更驗証了差排應力場所扮演的電荷蓄積（charge reservoir）角色。這種差排應力場導致的二維至一維電子凝聚現象（electronic condensation），不僅是全球首次觀測到，更開啟了氧化物界面物理研究領域中一維電子學的研究新方向，堪稱重大突破，更指出未來的氧化物電子器件（device）設計必須盡力避免錯合差排的形成。

該研究結合臺大凝態中心林昭吟研究員的研究團隊，由鄭淑齡博士生精心製備具世界級一流水準之高品質氧化物薄膜，及國內差排權威臺大材料系楊哲人教授參與差排結構分析。實驗起於臺大凝態中心陳正弦前主任（臺大終身特聘教授暨榮譽教授）退休前即著手進行，後由朱明文副研究員接棒主持，經第一作者張景斌博士將近兩年的努力才獲得此突破性發現。此全由國內研究團隊通力合作之成果，能夠在這競爭激烈的氧化物界面物理學領域達成突破並獲國際重視，實為難能可貴。詳細研究成果請參閱2014年3月24日發表於Nature Communications之全文（標題：Condensation of Two-Dimensional Oxide-Interfacial Charges into One-Dimensional Electron Chains by the Misfit-Dislocation Strain Field）。