不換材料只換疊法，台灣團隊突破二維半導體 MoS₂ 發光、谷極化效率

科學家通常透過混合不同材料來調控二維半導體性質，但台灣研究團隊證明，只要能精準控制同一材料的原子層間疊法，就能拓展電子與光學特性。

台灣師範大學物理學系藍彥文教授、陸亭樺教授、成功大學核心設施中心林光儀博士共同領導的研究團隊，成功以化學氣相沉積（CVD）法製備出穩定的雙層 MoS₂「1H 堆疊」結構，突破傳統雙層 MoS₂ 因間接能隙導致發光效率低落限制，展現直接能隙、增強發光與谷極化特性，為下一代二維半導體光電與谷電子元件開啟全新材料設計路徑。

二硫化鉬（MoS₂）是二維半導體代表性材料，具原子級厚度與良好電子、光學特性，被視為後摩爾時代先進電子與光電元件重要候選材料。

單層 MoS₂ 本身晶體結構稱為「1H 相」，具直接能隙，光吸收與發射能力優良；但當二硫化鉬材料堆疊成雙層，常見的 2H 堆疊或 3R 堆疊結構會因原子位置偏移旋轉而改變電子能帶，使其轉為間接能隙，發光效率下降，成為雙層 MoS₂ 發展光電與谷電子應用（valleytronic applications）重要限制。

為克服此問題，研究團隊發展兩階段化學氣相沉積成長法，透過控制成長溫度與快速降溫，抑制成長中的原子重新排列為較穩定 3R 堆疊，再成功形成上下兩層高度對位的 1H 結構。

不同堆疊方式會改變層間距離與原子軌域間作用，進而影響電子能帶與光學性質，因此研究人員能在不改變材料成分前提下，透過原子排列設計調控材料功能。

研究結果顯示，1H 雙層 MoS₂ 不僅展現不同於傳統雙層結構的電子能帶，也具更強發光表現與明顯谷極化特性，原子尺度顯微、電子繞射及第二諧波產生分析確認 1H 堆疊可在微米尺度範圍形成，第一原理計算與同步輻射角解析光電子能譜（ARPES）量測結果也表明，1H 雙層 MoS₂ 具直接能隙特性。

藍彥文教授說，二維材料性質不只取決於材料自身，原子層之間怎麼排列也很重要，不僅影響電子結構，也會進一步改變材料與光的交互作用，對未來二維半導體光電元件、谷電子元件設計具重要意義。

未來若能進一步掌握成長條件與原子排列之間關係，原子堆疊就有機會成為設計新型二維半導體、量子材料的重要工具。

研究成果刊登於《自然》（Nature）期刊。

（首圖來源：國科會提供）

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