2015-01-12
Pro. Zewail 2010於交通大學訪問時與湯朝暉教授合影 Pro. Zewail 2010於交通大學訪問時與湯朝暉教授合影
國立交通大學光電所合聘教授湯朝暉與諾貝爾化學獎得主、美國加州理工學院教授暨交大名譽博士齊威爾(Ahmed H. Zewail)教授研究團隊共同合作,於1月9日在國際著名《科學》(Science)期刊發表題為「p-n型半導體界面電荷動態之四維顯像」論文,闡釋四維掃描電子顯微(SEM)技術,同時提供科學家充分了解奈米尺度下半導體界面的異常超快特性。
 
湯朝暉教授表示,此篇論文主要闡述四維(時間+三維空間)掃描電子顯微技術在探索奈米世界中超快現象之重要運用。四維電子掃描顯微技術是一種新的顯像技術,可以探測到尺寸為奈米、時間短至數飛秒(千兆分之一秒,10-15秒)過程的影片(動態行為),可運用在材料科學、奈米科學和醫學等多領域。了解在飛秒雷射脈衝下所激發正負荷電粒子在雙極半導體界面之超快運動,即可幫助科學家與產業界了解雙極體及電晶體等日常生活中所使用電子產品內積體電路的基本結構和物理性質。因此,充分理解奈米尺度下半導體物理是突破現代科學與未來技術發展重要的一環。
 
研究指出,在飛秒雷射脈衝的激發下,雖然樣品本身並沒有變得非常高溫,但被加熱的荷電粒子團溫度可比太陽表面溫度還高,以每秒近1000公里的超快速度膨脹。這速度比室溫半導體內電子擴散速度或一般固體物質聲波傳播速度快上千百倍。另外,p-n型半導體界面存在約幾微米寬的耗盡區(depletion zone)。p-n型半導體p型或n型摻雜物的陰離子和陽離子在此區域內產生的內部電場會導致閘門效應。由於此半導體界面的閘門效應,對電子和電洞(hole)因其電荷極性不同有不同之進出門控管制,造成電子和電洞在界面兩側分離。這些非常熱的電子和電洞快速分離及長距離隔離重組(recombination)速率很慢,導致電荷分佈局部化現象可長達幾個奈秒之久,而此現象無法以教科書所描述之電子擴散機制解釋。
 
湯朝暉教授與齊威爾教授的跨國研究小組打破半導體物理學傳統概念,發現快速膨脹的超快彈道(ballistic)電子現象,意味這些超熱電子像非常快速的子彈移動,沒受太多晶格聲子碰撞而緩慢下來;而這超快現象只發生在半導體極淺表面上,因此傳統的實驗方法不易檢測出這樣的效果,必須依賴四維掃描電子顯微新技術。湯朝暉教授解釋,這是由於表面結構相對較弱導致電子和聲子的碰撞時間較長(約幾十皮秒,1皮秒 = 10-12秒),快速彈道電子不易遭聲子碰撞而放緩,但在半導體本體內部電子和聲子碰撞時間相對很短(約1皮秒),因此產生相對較慢之電子擴散現象,如傳統教科書所描述。
 
齊威爾教授身為世界第一位發展出四維透射電子顯微(TEM)和掃描電子顯微(SEM)技術之先鋒,輔以理論基礎紮實的湯朝暉教授在此論文中提出彈道電子以及界面閘門效應理論,完美詮釋存在於界面上彈道式電子高速運動新現象的物理機制。未來人類可基於此新特殊的界面彈道電子性發展低維結構之超快電子傳動系統,提高電子設備之反應速率和效能。
 
齊威爾教授是1999年諾貝爾化學獎得主,其重要貢獻在於運用飛秒雷射脈衝技術研究化學鍵結斷裂機制和其它超快化學反應動態。交大湯朝暉教授曾經在其小組當任資深研究員,曾於1988年獲美國頂尖100研究發展獎(R&D 100)、2007年獲台灣傑出人才講座、2010年當選美國物理學會會士。前年冬天接獲齊威爾教授來函,邀請他共同合作解決費解的實驗結果,希望借重湯朝暉教授的理論基礎以及解決問題的能力,便著手與齊威爾教授的世界頂尖研究小組合作。未來也有其它重要發現將發表於國際著名的期刊,相信必能引起國際科學界矚目。
 
湯朝暉教授提出彈道電子以及界面閘門效應理論解釋新現象的物理機制,在團隊中具有非常重要的貢獻,也認為齊威爾教授研究小組所發展之四維電子顯像學和此技術所帶來對奈米材料特性的新發現,可望再次贏得諾貝爾獎。
 
湯朝暉教授已於去年夏天從台灣提前退休,前往美國加入加州理工學院研究團隊,希望透過更直接的實驗和理論的結合,為交大及台灣贏得更高的國際榮譽。

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