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科技新知

量子世代的關鍵要角-量子材料
發表日期:2024-11-20
作者:鄭華琦(工研院)
摘要:
量子材料是凝聚態物理學的一個統稱,涵蓋所有基本性質無法用半古典粒子和低階量子力學來描述的材料。這些材料具備強電子相關性或某種類型的電子行為和次序的特色,利用自旋、晶格、軌域、電荷等對稱性以及拓樸性等交互作用,呈現各類電、光、熱、力、磁等量子特性。

全文:

一、前言

量子材料是凝聚態物理學的一個統稱,涵蓋所有基本性質無法用半古典粒子和低階量子力學來描述的材料。這些材料具備強電子相關性或某種類型的電子行為和次序的特色,利用自旋、晶格、軌域、電荷等對稱性以及拓樸性等交互作用,呈現各類電、光、熱、力、磁等量子特性,例如超導或磁序、電子特性和非通用量子效應相關的材料-該表面可供電子移動之絕緣性質(例如拓樸絕緣體, topological insulator)、符合Dirac matter描述的電子系統(例如石墨烯),以及由真正的量子行為控制之電子系統(例如超冷原子、冷激子、表面電漿極化元等)。量子材料在微觀上的共通點具備四個基本自由度-電荷、自旋、軌道和晶格,它們可以相互交織,形成複雜的電子態;[1] 其次量子材料會表現出巨觀中沒有的特性,包括量子糾纏(quantum entanglement)、量子波動(quantum fluctuations)、穩健邊界態等。由於在物理、化學特性不同於微觀的原子、分子,也不同於巨觀物體現象,其多變化之性質至今仍是一個尚待發展的領域,且有機會主導未來數十年的技術創新路徑。

二、量子材料的特點及優勢

量子材料具有高度操控自由度和多元物性,與其他奈米結晶材料不同,它是以半導體晶體為基礎,尺寸在1~100奈米(nm)之間,每一個粒子都是單晶,故早期量子點的名稱也稱作「奈米晶」,量子材料的優勢源自於其半導體奈米結晶的量子限域效應,或者量子尺寸效應。[2, 3]多數半導體晶體小到奈米尺度,就可因不同的材料組成和尺寸激發出不同顏色的光。此外不同材料量子點可因應包括單電子電晶體、太陽能電池、LED、雷射、單光子源、產生二次諧波、量子計算、細胞生物學研究、顯微鏡和醫學成像等光電特性需求。

量子材料的另一特點是具有力學效應,特別是在原子和亞原子尺度上,下列是更詳細的學理上之性質分類:

  1. 基礎量子力學:量子力學描述了原子和亞原子尺度上的粒子行為,這與經典力學有很大不同,經典力學描述的是我們用肉眼看到的巨觀世界。
  2. 湧現現象:量子材料經常表現出湧現現象,其中粒子(如電子)的集體行為會產生與個別情況不同的新特性。超導體就是如此,某些材料可以無電阻地導電。
  3. 拓樸性質:部分量子材料具有獨特的拓樸性質。
  4. 強相關性:許多量子材料中,粒子之間的相互作用非常強,以至於傳統的材料研究方法不適用。
  5. 應用:量子運算、超導磁體和先進感測器。
  6. 研究新發現:凝聚態物理研究。


量子材料屬於結晶結構,因此晶格結構至關重要,支持論點如下:

  1. 基本性質:晶格結構決定了材料的基本特性,包括其電子、光學和磁性行為。原子的排列和原子之間的距離會影響電子在材料中移動的方式,導致超導或磁性等現象。
  2. 湧現現象:在量子材料中,粒子的集體行為通常會產生單一粒子中不存在的特性,稱為湧現。晶格結構對於促進這些突發行為至關重要;特定的晶格結構可以促進特殊物質態的形成(例如拓樸絕緣體或量子自旋液體)。
  3. 對稱性和有規則性:晶格結構的對稱性可以形成特定的量子效應。例如,某些對稱性可以產生受保護電子態,抵抗干擾,而有助於量子計算應用。
  4. 交互作用強度:晶格結構可以確定粒子(如電子)彼此交互作用的強度。在某些量子材料中,交互作用非常強,以至於行成「強相關」行為,導致無法遵循傳統的材料理論,而產生新穎的、以及無法預測的特性。
  5. 可調變性:透過控制晶格結構(例如,施加壓力、應變或摻雜其他元素),研究人員可以「調整」量子材料的特性,以便探索物質的新形態或增強所需的特性。
  6. 局域行為和離域行為:利用晶格差異可以確定材料中的電子是局域行為(固定在原地)還是離域行為(自由移動)。該兩種行為可能導致截然不同的特性,例如從區域系統中的絕緣行為到離域系統中的金屬或超導行為。
  7. 在實驗中的作用:晶格結構常被用於研究量子材料的驗證。例如 X 射線繞射、中子散射和利用掃描穿隧顯微鏡直接探測晶格及其激發現象。


三、量子材料應用前景

量子材料研究至今超過50年,當時是受石油危機的影響,想尋找新一代能利用太陽能的光催化和光電轉換系統的材料應用。至今,量子技術應用之材料以奈米半導體最為大宗,依其特殊性質整合於下列各領域:

(一)生物醫療領域

量子材料在生物醫療領域以光學為主,透過量子材料把細胞的型態完全顯示出來。與其它檢測方法相比,量子材料對於不同顏色之發光顯色較一般材料更為靈敏,因此也可以利用顏色辨別,配合拉曼光譜技術,檢測多種病菌或者農藥殘留。近期研究人員以 III-V 族半導體如磷化銦(Indium Phosphide, InP)等,發展波長在紅外光範圍內的量子點螢光,讓追蹤觀測動物的生長代謝機轉成為可能。因為量子材料光吸收或放射能力非常大,能夠大大提高靈敏度,使其在檢測應用具有獨特優勢。

(二)照明產業

量子材料照明原理源自於量子點,效率約20~50 %,較傳統白熾燈(光效率約只有10 %)效率高。常見的高階LED(發光二極體,Light Emitting Diode)螢幕,就是採用量子點的概念,目前量子點顯示器已經商轉,所使用的發光材料屬於半導體類,不同於金屬般具有高導電性,也和塑膠的絕緣性相去甚遠,原理是透過外部輸入能量(如通電、加熱或照射光)到半導體材料中使材料激發發光,量子點技術使顯示器在色域、圖像品質獲得進階。

(三)新能源領域

近期美國科學家發現的全新量子材料,用來製成太陽能電池的光活性層,平均光伏吸收率達 80%,外部量子效率(EQE)更高達190%,遠超過矽基材料的效率極限。[4] 該團隊將零價原子銅導入硒化鍺(GeSe)和硫化錫(SnS)異質接面,開發出 2D 凡德瓦量子材料(van der Waals quantum material),所設計的中間能隙態(intermediate band state)介質,能隙值為 0.78 和 1.26 eV,可以有效吸收日照,並產生電荷載子,在紅外光和可見光區域表現都很出色。該團隊也把新材料應用在太陽能電池中,製作之原型元件之平均光吸收率達 80%,且在近紅外線波長的外部量子效率(EQE)落在 110%~190 % 之間,透過調整材料活性層的厚度使在 600 至 1200 nm 波長範圍內可調節增強的光學活性和量子效率。

(四)運算與通信技術

量子技術應用於量子運算(Quantum computing)及量子加密通信等新一代資料處理和通信技術,包含離子阱量子運算、光量子運算、中性原子量子運算、半導體量子運算、拓撲量子運算等類別,以致運算和通訊之量子材料需要更多元,包含超導、離子阱、光子、中性原子等平臺架構下的需求。目前國際之量子運算材料和相關輔助設備仍以矽和鍺為基礎,針對量子點的形成、電荷控制、自旋等關鍵技術之開發,該材料系統未來的研究目標是實現晶圓級原子尺度的可控制備。

位錯、應力、原子占位、原子台階、同位素純化程度和奈米線結構與組成的可控製備等都是影響量子技術在大量、高速性質和功耗、整合的關鍵因素,有待新材料之提升;近期,纽约哥倫比亞大學的科學家發現一種更高效的超原子半導體Re6Se8C2(由錸、硒和氯組成),實驗中電子在不到奈秒(nS)的時間內可移動術微米。美國Rochester大學利用參雜技術研究近室溫超導體如鑥-氫-氮(Lu-H-N)化合物,雖然特性仍需克服再現性,然而該努力著實為開發低功耗、高速度、高密度的超導電路和器件提供了可能性。

四、總結

近期量子技術、量子材料在國際投注研究下,已有相當進展,總體將增進量子物理學和量子通訊的發展,目前材料的訴求仍以增進樣子技術達到低功耗、高速度、高密度的訴求,產業需求目前仍以資通訊、運算為大宗;容易操作、可產業化是目前加速之關鍵,因此室溫超導有可能因為提高量子比特的操控效率和性能,擴大量子系統的規模和穩定性,降低量子計算機的製造和維護成本,增加量子計算機的可用性和可靠性而為市場接受。然而,目前實現室溫超導的技術仍採透過極高的壓力來達到,這限制了它在實際應用中的可行性和可控性。量子運算還需要考慮其他因素,如熱雜訊(thermal Noise)、同調長度(coherence length)、材料加工等。從長遠來看,還是需要通盤考量,選擇最適化架構。

參考資料:

[1] Cava, Robert; de Leon, Nathalie; xie3, Weiwei (10 March 2021). "Introduction: Quantum Materials". Chemical Reviews. 121 (5): 2777–2779.

[2] Annual Review of Materials Research. 2000, 30 (1): 545–610.

[3] Brus, L. E. Chemistry and Physics of Semiconductor Nanocrystals (PDF). 2007 (7 July 2009).

[4] Solar cell material has 190% quantum efficiency, https://www.eenewseurope.com/en/solar-cell-material-has-190-quantum-efficiency/
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2024-10-24

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