2016-09-19
國際知名期刊《Nature Communications》九月刊登本校材料系朱英豪教授實驗室與德國馬克斯普朗克研究所(Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids)的重要研究成果Single-domain multiferroic BiFeO3films,獨步全球的氧化物雷射分子束磊晶技術以及台灣同步幅射的先進光源與分析技術,將單疇的多鐵材料鐵酸鉍薄膜的成長與分析變成了可能。研究由台德兩方共同主導,主要作者為材料系友楊展其博士與朱英豪教授,發表之文章為楊展其博士在德國馬克斯普朗克研究所擔任博士後研究員時與朱英豪教授共同合作的重要研究成果。
 
材料之鐵電與(反)鐵磁性質為固態物理中兩個重要的特性,若材料具有多元有序參量共存以及強烈的鐵電-(反)鐵磁耦合,稱為「磁電多鐵材料」,簡稱「多鐵材料」。多鐵材料的「磁電」現象在新世代資訊與電子科技應用開發中扮演相當重要的角色;製作記憶體或電晶體時,同一小尺度可儲存電子訊號並記憶磁性訊號,使得儲存或運算的元素更多元化,運算速度也更快。自然界大部分多鐵材料的可應用溫度多遠低於室溫,此研究使用的鐵酸鉍薄膜為目前極少見的室溫多鐵材料,正常操作的使用溫度可高於室溫數百度,這類材料的缺點是在鐵電,鐵磁材料中每一約略固定距離就會形成的”疇結構” (domain)。一般鐵電材料在數十到數百奈米(nm),而鐵磁材料在數十微米(um)的範圍就會出現不同的疇結構。不同疇結構的出現會打亂鐵電或鐵磁性質的長程有序排列,雖不至破壞材料特性的表現,卻大幅限制了其特性可發揮的極限。
 
在本次發表的研究中,利用先進的氧化物雷射分子束磊晶技術,將合適的靜電與彈性邊界條件加諸其上,並調整適當的厚度尺寸效應,使得外在的去極化場迫使鐵酸鉍薄膜的極化方向沿著垂直膜面方向排列,讓單一大面積的疇結構得以穩定存在。這樣的突破除了穩定大面積單疇的結構,使科學家可以更深入地研究其材料與物理特性之外,更解決了多鐵材料向商業化應用邁進的最大阻礙之一。此外,本次發表的研究內容更可作為相關鐵電,鐵磁材料進行多疇結構調控的基石與參考。
 
楊展其博士表示,研究材料有趣的地方與核心價值在於可以站在材料設計與改良的角度,串連並解決在物理、化學或電機等各領域的根本問題,「與德國研究團隊的討論中,我們設定了要解決的物理問題,並且搭配了先進材料成長製程與分析手段,才幸運地走到這一步。」朱英豪教授指出,材料的研究著重跨領域的結合與了解,交大提供了優良的學習與研究環境,使得本土畢業的博士生也可走得這般長遠,並在國際上備受肯定,楊展其博士也已被成功大學物理系延攬為助理教授。希望這項研究發表可以鼓勵交大的學生努力耕耘,並以交大為榮。
 
近年在朱英豪教授和理學院多位教授為首的研究成果累積之下,德國馬克斯普朗克研究所今年初正式與交大工學院、理學院、清華大學理學院與韓國多所高等研究機構簽訂合作備忘錄,共同成立台德韓三國跨國研究中心組織,每年提供多名國際交換學生於三國進行學術研究,可望替台德韓國三國高等研究與教育機關注入新的研究能量。

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