理大二維鐵電體合成及結構研究取得突破 推動微電子、人工智能及量子資訊領域技術發展
鐵電體具自發極化特性，可通過外加電場切換極化方向，一直廣泛應用於電晶體、記憶體和神經形態設備等。二維鐵電體更可實現納米級生產，用於製造超薄電子產品。香港理工大學（理大）應用物理學系副教授趙炯教授帶領的研究團隊就二維范德華（van der Waals）材料的結構及潛力進行了多項研究，成功研發出可大規模合成二維鐵電材料的方法，有望推動微電子、人工智能及量子資訊領域的技術發展，從而促進高密度存儲設備、能量轉換系統、傳感技術及催化技術等各種應用的開發。
與傳統材料相比，二維鐵電體擁有多項優勢，包括能展現急速的載流子流動，令數據傳輸、存儲及運算速度更高；材料尺寸亦可顯著縮小，大幅降低能耗；且材料極為纖薄，透明度與柔韌度均非常出色，十分適用於製作需兼具這兩種特性的電子設備。其中，二維硒化銦（In2Se3）的二維五重原子層中同時存在順電性、鐵電性、反鐵電性等多種物相，應用潛力極大。然而，二維硒化銦的各個物相穩定性不明確，具備所需物相的二維硒化銦薄膜亦欠缺大面積合成方法。
研究團隊運用透射電子顯微鏡（TEM）技術，直接在原子層面上觀測及分析材料的鐵電疇、疇壁及其他關鍵特徵，發現通過化學氣相沉積技術製造出二維硒化銦薄膜時，適當地調節作為前體的硒化銦原料中硒和銦的比例，再把製出的薄膜轉移到柔軟或不平整的基底上以引發物相轉變，就能在過程中分別製造出三種純相的二維硒化銦薄膜，實現前所未有的相控合成及精確結構控制。研究成果已於《Nature Nanotechnology》期刊上刊登。
同時，團隊亦專注於二維范德華材料的開發及潛力探索。他們深入研究了金屬單硫屬化物（即金屬與硫、硒或碲組成的化合物），包括硒化銦，並利用TEM技術識別出這種化合物中普遍存在的塑性變型模式，令二維金屬單硫屬化物材料能擁有超高的可塑性。此發現展現了生產高效能無機塑膠半導體的龐大潛力，並大大推動柔性電子材料、半導體先進積層製造及固態潤滑劑的發展。研究亦已於《Nature Materials》期刊上刊登。
團隊最近更利用先進的四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM），揭示了一類存在於擁有扭曲雙層結構的二維材料中的極性渦旋。團隊發現不同的扭曲角度會產生不同的渦旋模式及極性結構，並有可能藉由外部電場或層間位移來調控渦旋模式及極性區域分佈，為研究扭曲二維雙層極性結構的複雜反應提供了寶貴觀點，有助往後在原子尺度上調整浮現的量子特性，製造出性能優異的二維材料。研究已在《Science》期刊上刊載。
理大材料與器件中心實驗室（UMF）轄下的原子透射電子顯微鏡實驗室（AEML）是促成上述多項研究突破的關鍵，包括通過原子解析度觀測，直接揭示了材料合成及應用的重要機制。以上研究更獲得理大應用物理學系納米材料講座教授兼系主任劉樹平教授、理大應用物理學系助理教授楊明教授及香港城市大學化學系副教授李淑惠教授的研究團隊提供協助與支持。
趙炯教授表示：「這些科學發現將為微電子和集成電路帶來嶄新及具影響力的轉變，並推動開發靈活、耐磨、耐用及高效的電子設備，為各類應用開拓廣闊的發展前景，包括可增強新型記憶體內運算設備的運算能力和速度，並省卻當前晶片運算中所需的運算與記憶單元間的數據傳輸，令社會邁向更高速、更具能源效益且更靈活的科技新時代。」
憑藉多項突破性成果，趙教授的研究項目早前獲選國家自然科學基金的「優秀青年科學基金項目」，其研究工作亦同時獲得研究資助局「協作研究金」及創新科技署「創新及科技基金」等多項資助。
與傳統材料相比，二維鐵電體擁有多項優勢，包括能展現急速的載流子流動，令數據傳輸、存儲及運算速度更高；材料尺寸亦可顯著縮小，大幅降低能耗；且材料極為纖薄，透明度與柔韌度均非常出色，十分適用於製作需兼具這兩種特性的電子設備。其中，二維硒化銦（In2Se3）的二維五重原子層中同時存在順電性、鐵電性、反鐵電性等多種物相，應用潛力極大。然而，二維硒化銦的各個物相穩定性不明確，具備所需物相的二維硒化銦薄膜亦欠缺大面積合成方法。
研究團隊運用透射電子顯微鏡（TEM）技術，直接在原子層面上觀測及分析材料的鐵電疇、疇壁及其他關鍵特徵，發現通過化學氣相沉積技術製造出二維硒化銦薄膜時，適當地調節作為前體的硒化銦原料中硒和銦的比例，再把製出的薄膜轉移到柔軟或不平整的基底上以引發物相轉變，就能在過程中分別製造出三種純相的二維硒化銦薄膜，實現前所未有的相控合成及精確結構控制。研究成果已於《Nature Nanotechnology》期刊上刊登。
同時，團隊亦專注於二維范德華材料的開發及潛力探索。他們深入研究了金屬單硫屬化物（即金屬與硫、硒或碲組成的化合物），包括硒化銦，並利用TEM技術識別出這種化合物中普遍存在的塑性變型模式，令二維金屬單硫屬化物材料能擁有超高的可塑性。此發現展現了生產高效能無機塑膠半導體的龐大潛力，並大大推動柔性電子材料、半導體先進積層製造及固態潤滑劑的發展。研究亦已於《Nature Materials》期刊上刊登。
團隊最近更利用先進的四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM），揭示了一類存在於擁有扭曲雙層結構的二維材料中的極性渦旋。團隊發現不同的扭曲角度會產生不同的渦旋模式及極性結構，並有可能藉由外部電場或層間位移來調控渦旋模式及極性區域分佈，為研究扭曲二維雙層極性結構的複雜反應提供了寶貴觀點，有助往後在原子尺度上調整浮現的量子特性，製造出性能優異的二維材料。研究已在《Science》期刊上刊載。
理大材料與器件中心實驗室（UMF）轄下的原子透射電子顯微鏡實驗室（AEML）是促成上述多項研究突破的關鍵，包括通過原子解析度觀測，直接揭示了材料合成及應用的重要機制。以上研究更獲得理大應用物理學系納米材料講座教授兼系主任劉樹平教授、理大應用物理學系助理教授楊明教授及香港城市大學化學系副教授李淑惠教授的研究團隊提供協助與支持。
趙炯教授表示：「這些科學發現將為微電子和集成電路帶來嶄新及具影響力的轉變，並推動開發靈活、耐磨、耐用及高效的電子設備，為各類應用開拓廣闊的發展前景，包括可增強新型記憶體內運算設備的運算能力和速度，並省卻當前晶片運算中所需的運算與記憶單元間的數據傳輸，令社會邁向更高速、更具能源效益且更靈活的科技新時代。」
憑藉多項突破性成果，趙教授的研究項目早前獲選國家自然科學基金的「優秀青年科學基金項目」，其研究工作亦同時獲得研究資助局「協作研究金」及創新科技署「創新及科技基金」等多項資助。
