【2014諾貝爾物理獎預測】儲存科技躍進的幕後功臣：鐵電材料研究

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編譯｜陳文楠

鐵電材料是一種可以透過外加電場，去改變內部電子極化現象的物質。在外加電場消失後，仍能保持電子分布狀態的改變，因此可以開發為記憶材料。不過在研究的早期，鐵電材料通常需要數千伏特的電力所產生的外加電場來驅動改變，對於進入工業生產來說，仍有很遙遠的路要走。

在 1989年，當時在科羅拉多大學任教的詹姆士史考特，改變了整個鐵電材料的研究。他利用磊晶的技術，將鐵電材料一層層附著在原本構成積體電路的基料上，如矽或是砷化鎵。史考特開發出來的鐵電材料記憶體可以在三十奈秒(10^-9 second )內完成讀與寫的動作，而驅動的電壓只需要五伏特，元件大小為2X2微米平方，且一樣保有切斷電力後狀態仍存續的特性。此一研究問世後，鐵電材料馬上應用在許多記憶體產品的開發上，影響至今。

而複合型的鐵電材料，混合了多種鐵的氧化物開發而成。除了保有原先鐵電材料的特性外，其磁性的表現也有一定的規律，代表著複合型的鐵電材料可同時由電場及磁場去調控。約莫在2003年，值任教於馬里蘭大學的蘭姆西與他的同事進行鉍的鐵電材料研究，他們完成了一系列薄膜長晶開發與相關的電磁特性研究，奠定了電力消失後仍保有記憶狀態的初步研究。

蘭姆西與他的團隊主要研究的對象是BiFeO₃的大型複合鐵電材料薄膜，他們弄清楚在電場的控制上，反鐵磁性的材料能達到跟鐵磁性材料一樣好的效果，而這是邁向下一代儲存材料的關鍵。也讓人們對開發下一代以電子自旋為元件基礎原理的研究，有更強大的後盾。

目前蘭姆西與他的團隊將研究重點往前到複合氧化材料在光電與熱電效應上的探索上。而鐵電材料在儲存裝置上已大量的應用，如常見的USB隨身碟與一般傳統的固態硬碟。

同樣在2003年，任職於日本理化學研究所、兼東京大學教授的十倉好紀，發現在TbMnO₃的鈣鈦猛複合材料中，有著自發性的極化現象。仔細探究下，發現此一現象存在於反鐵磁性的物質中。除此之後，十倉好紀與他的研究團隊還發現第二型的鐵電材料TbMn2O₅也有類似的行為。無獨有偶，任職於羅格斯大學的 鍾昌吾(Sang-Wook Cheong音譯)也發現此特性。

以上三位學者都是在鐵電材料的研究開發上有著重大的貢獻，對普羅大眾來說，最直接的影響就是儲存裝置的快速發展所帶來的便利。

三位學者簡介：

Yoshinori Tokura 十倉好紀

日本土生土長的物理學家，在東京大學取得物理博士學位，一路在東京大學任教至今。十倉好記的主要研究範疇為強電子相關系統、高溫超導體研究、凝態物理中的鐵電材料研究等。

Ramamoorthy Ramesh 拉瑪莫錫蘭姆西

蘭姆西1987年在加州大學柏克萊分校取得博士學位後，一直服務於西岸的學術單位，如馬里蘭大學與加州大學系統，目前任教於柏克萊分。其研究的主要範疇為開發新材料，著重在鐵電材料與鐵電體的開發等。

James F. Scott　詹姆士史考特

來自於英國劍橋大學卡文狄西實驗室的詹姆士史考特，主要研究領域為鐵電體ferroelectrics的研究，曾被譽為鐵電材料積體電路之父。在氧化鐵材料上的研究並應用在積體電路上，被認為是奠基者。

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延伸閱讀：物理氣相沈積法（Physical Vapor Deposition，PVD）

研究出處：INCREASED MEMORY AND POWER EFFICIENCY FOR DEVICES
譯者：陳文楠 畢業於國立清華大學，現為科教中心特約寫手，從事科普文章編譯。