稀土爭奪戰(4)：二維稀土材料

你知道嗎？未來的手機可能充一次電就能用好幾天，電腦也不再發熱卡頓，這些科技進步的夢想，可能將由「二維稀土材料」來實現。稀土元素原本就像是科技產品的「維他命」，微量卻不可或缺；而當它們進入原子層級的二維狀態後，居然還能產生全新的電子行為，像是為電子傳輸安排交通指揮，使電子只能往特定方向移動，讓資料傳輸更快、能耗更低，雖然目前仍多停留在理論預測階段，科學家正在一步步讓這些理論成為現實，成為科技再次更上一層樓的契機！

撰文｜黃鼎鈞

你是否曾想過，未來的電腦可以不再發熱，手機充一次電可以用三天，甚至資料傳輸的速度快得讓你感覺一切即時完成？這樣夢幻的科技仰賴於科學家對於材料的理解與應用，而二維稀土元素正是極具潛力的候選材料。稀土元素在科技產品中只佔有極小的比例，卻能大幅提升其效能，因此常被形容成當代「科技的維他命」，就像維他命微量存在於人體之內，卻是維持機能的關鍵要素，同樣地，稀土元素在科技中雖微量，卻是照明、儲能、感測、傳輸等功能的重要推手。過去我們已經介紹過，稀土元素因其獨特的電子結構，強化了在光、電、磁上的科技應用，也因此稀土礦權成為全球競爭的戰略資源之一。然而，科學家的腳步並未止步於目前的科技，隨著現代裝置對效能與體積要求越來越高，「讓材料變得更輕薄」成為材料科學追求的目標。如果我們能讓稀土材料的厚度縮減到原子層等級，會發生什麼事？這一個研究領域就是：二維稀土材料。

什麼是二維材料？

二維材料的特徵在於它們的厚度僅有一層或數層原子那麼薄，原子之間在平面內緊密結合，而層與層之間則是非常微弱的吸引力，這樣的結構使得材料在尺寸縮小的同時，電子的行為也發生劇變，這種現象被稱為「量子侷限效應」，簡單來說，就是當空間被壓縮到某種極限，電子不再像是在一般空間那樣自由移動，而是被迫遵守一套新的規則，想像一條寬廣的河流變成細細的水管，水流不再平順，而呈現離散的水流，或是有不同的波動與擠壓的行為，電子也是如此。正因為這種效應，二維材料常展現出與三維材料完全不同的性質，例如更高的導電率、更強的發光能力、甚至是新型的磁性與量子現象，而最廣為人知的二維材料就是石墨烯了，當石墨從三維變成了二維材料時，竟然從筆芯裡不起眼的黑粉，變成了電子工程師口中的「夢幻材料」。當稀土元素成為了二維型態時，會產生什麼樣驚人的轉變？這正是目前研究者最感興趣的問題之一。

鐵谷效應：電子選邊站

在探索二維稀土元素的過程中，鐵谷效應 (ferrovalley effect) 是最具代表性的例子之一。為了理解它，我們先來談談「能谷 (valley)」這個概念，能谷就像電子能量地圖中的低窪地帶，是電子最喜歡待的地方，而鐵谷效應的產生，不讓電子自由地選擇不同的低谷，而是能透過本身的磁性去引導電子「只能」往某特定的低谷去，就像是交通管制一樣，指定車輛只能往朝某一方向前進，因此能讓車流更為通暢，同樣地，當電子不再隨性的分流，而是遵行交通號誌的行進時，就能讓電子的運動更有秩序，同時減少能量損耗與雜訊干擾，也讓資訊的傳輸更為快速，這樣的效應對於記憶體與邏輯元件有巨大幫助，這樣的研究被稱為「谷電子學」(valleytronics)。

科學家如何一步步接近這項夢想？

二維稀土元素的研究起源於理論計算，透過模擬，科學家可以預測哪些稀土化合物在原子層級的厚度下仍能保持穩定結構，並具有特殊的電性或磁性。像是一系列從鈧 (Scandium) 到鑥 (Lutetium) 的稀土碘化物，就被預測可能形成穩定的六角形或三角形平面結構，並展現出特殊的量子行為。有了這些理論預測，實驗團隊開始嘗試用不同的方法製作這些材料，目前主要使用機械剝離 (exfoliation) 與分子束磊晶 (MBE)，但仍具有不小的挑戰，除了難以將材料剝離成穩定的單層結構，當這些材料暴露於空氣的時候，非常容易產生氧化，當然，為了突破這些限制，科學家也在嘗試新的方法，例如低溫化學氣相沉積法 (low-temperature chemical vapor deposition, CVD) 和鹽助成長 (salt-assisted growth)，這些技術可以在較溫和的條件下製備材料，並透過鹽類來幫助原子排列成穩定結構，減少在高溫下崩解或氧化的機會，讓二維稀土材料有機會從理論走向實際的應用。

現在的二維稀土材料仍主要存在於模擬與實驗室中，距離大規模應用還有一段路，但這正是科技準備再次升級的時刻，如今，在 Nature Materials、Advanced Functional Materials、JACS 等頂尖期刊中，已有越來越多來自世界各地的團隊投入二維稀土材料的研究，成為了近幾年最火紅的研究議題之一，相信在不久的將來，二維稀土元素將為現有的科技掀起一場革命，我們的科技也將再更上一層樓，帶給我們更迅速、便捷的使用。

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