美麗物質新世界

  • 林育中
21世紀的硬體創新主軸逐漸傾斜向新物質、新材料、新物理機制的開發。圖為石墨烯的晶體結構。(圖片來源:AlexanderAlUS)

蘋果於2月9日自美國專利暨商標管理局取得關於以量子穿隧效應(quantum tunneling effect)材料的觸敏(touch-sensitive)電子設備專利(專利號碼US 2017/0038793A1,“Input mechanism with deformable touch-sensitive material”),此設備有可能取代原先機械式按鈕-例如手機的電源開關,電子器具的設計將從此改觀。

才不久之前,Nantero這家開發NRAM的公司宣佈與Fujitsu合作,明年將以55nm製程量產快速、低功耗的非揮發性記憶體。NRAM的全名是Nano RAM,其中儲存訊息的主要元件是以奈米碳管(carbon nanotube)的斷路或通路形成0與1的態。奈米碳管是1991年發現的新材料,2001年用之以設計場效電晶體,現在也要進入半導體領域、未來有可能領風騷數十年。

STT MRAM也要進入量產了。目前寫入電流的大小還不盡如人意,改進的方向有二:一是用重金屬來產生較大的自旋軌道轉矩(SOT;Spin-Orbit Torque),翻轉用來記憶訊息的鐵磁層磁化方向。另一是用壓控磁性各向異性(VCMA;Voltage-Control Magnetic Anisotropy)。這二者的進展都需要新材料的引入,特別是後者,解決方案之一是尋找一種具高磁電效應(magnetoelectric effect)的新物質,許多產學界的研發活動積極進行中。

石墨烯(graphene)在2004年才由曼徹斯特大學的 Andre Geim 和 Kostya Novoselov用宏觀的方法由石墨分離製造出來。由於石墨烯的應用廣泛,現在類似石墨烯的二維材料的搜尋、應用研發方興未艾,是材料科學中的新顯學。

從蘋果專利到石墨烯,這些新技術領域都有一個共同的特點:它們的進展改為倚重新材料的開發,而於技術上的應用則是利用新材料的一些新物理特性和機制。這與過去電子產業-尤其半導體產業-的發展進程很集中的依賴製程微縮技術以大幅提升晶片的功能不同。

而於研發材料的方法與上世紀的方法也大不相同。上世紀的材料研發高度依賴於化學的合成,領域的知識固然可以提供開發的方向,但是實驗室的經驗和操作技巧絕對是關鍵要素。近年來由於電腦的計算能力大幅提升,新物質的所有光、電、磁、熱、壓、傳輸等性質以及這些性質之間的交互作用如光電效應、磁電效應、壓電效應、磁致伸縮等都可以在實驗之前先以第一原理計算(first principles calculation; 註)預測出來。做實驗只嘗試以第一原理計算篩選出性質最理想的候選物質,做了往往一發中的,實驗的數據也與第一原理計算預測若合符節。所以新物質研究的方法結合理論與電腦,變成地毯式的搜索,更有效率、也更省經費,研發成果也更能掌握應用。

21世紀的硬體創新主軸逐漸傾斜向新物質、新材料、新物理機制的開發。台灣的研發能量也許無法以填充週期表的方式來涵蓋所有的新物質搜尋,但是集中努力在一個特定領域,譬如是半導體的儲存元件或物聯網的感測元件,還是可以開創出一片小天地的。

註:「第一原理計算」是指從基本的物理學定律出發,在計算過程中不需要由實驗提供經驗參數,只要知道材料組成的元素便可直接從解其對應的薛丁格方程(描述物理系統的量子態如何隨時間演化的偏微分方程式),求出其所有的物性。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。