二維VS2的雙重靈魂，金屬還是半導體？（上）

科學界長久以來認為二維單層材料無法在室溫下維持鐵磁性，因為熱擾動會打亂自旋的有序排列，但二維材料受基板支撐、缺陷、自旋軌道耦合等效應影響，能進一步維持有序自旋產生鐵磁性。VS₂尤其受人注目，因為它能呈現室溫鐵磁性，增加了實際應用的可行性，不僅如此，它還能因著不同的原子堆疊模式呈現金屬或半導體的特性，因而成為了最火紅的二維材料之一，這一篇文章我們將先介紹具有金屬特性的T-VS₂，看它如何在電化學中成為革命性的候選材料！

撰文｜黃鼎鈞

過去科學家普遍認為，二維單層材料難以呈現穩定的鐵磁性，因為Mermin–Wagner定理指出，在理想的二維材料中，熱能的擾動會打亂電子自旋的排列，使它們難以維持一致，導致鐵磁性無法長時間存在。然而，近年來隨著製程與量測技術的發展，材料科學家開始在一些二維晶體中觀察到磁性，是Mermin–Wagner 定理出錯了嗎？並不是！而是現實中的二維材料會受到基板支撐、缺陷、自旋軌道耦合等效應影響，使自旋能維持部分有序，進而展現出宏觀的鐵磁效應，在眾多候選材料中，VS₂（釩二硫化物）因能在室溫下維持鐵磁特性而特別受到矚目。

過渡金屬二硫族化物家族中的VS₂與其雙重靈魂

VS₂屬於二維材料中的過渡金屬二硫族化物 (TMDCs) 家族，其結構特徵為「一層金屬夾在兩層硫族元素」之間，在VS₂中，V（釩）原子的d¹電子結構，因其「落單」的電子而產生磁性，同時表現出獨特的電性，其中一個現象是「電荷密度波」，可以想像為電子在材料中並非平均分布，而是隨著晶格形成規律性的起伏，像水波一般，這種現象會改變材料的導電方式，甚至影響它的光學與磁性行為，科學家對於其電荷密度波的探討深感興趣，因為它能幫助科學家理解電子如何在低維系統中集體運動，並能探討新奇的量子現象，有助於開發新型的量子元件。

VS₂有兩種主要結構：T相和H相。T相為八面體配位的層狀堆疊，H相則是三角棱柱配位的層狀堆疊。這樣的結構差異導致兩者呈現截然不同的電子性質：T-VS₂表現為金屬，而H-VS₂則是半導體。本文將先聚焦於T-VS₂的特性與應用，下一篇文章將進一步探討H-VS₂。

VS₂在電化學上的潛力

目前對於T-VS₂的探討大多聚焦在電化學的應用，因為它兼具三項特質：高導電性、層狀結構，以及釩原子的多變價態（可在+4與+5間切換），高導電性代表電子能快速移動，減少能量在電極與電解質之間的損耗，避免電壓下降，從而提升充放電速度與能量轉換效率；層狀結構則提供離子進出的通道與緩衝空間，VS₂的原子呈片狀堆疊，中間存在可嵌入與脫出的縫隙，就像書頁之間的空隙能讓小卡片自由進出一樣，相比之下，傳統非層狀材料通常是緊密的三維晶格，缺乏這種通道，使得離子在快速充放電時更難順利移動；多變價態讓材料在氧化還原過程中保持穩定，釩原子能在不同氧化態之間切換，像是多個「緩衝檔位」，幫助材料更靈活地應對電子轉移，分擔反應壓力，減少結構破壞並維持導電性。這三種特質共同賦予T-VS₂在電化學上的優勢，加上其大比表面積與活潑表面狀態，進一步提升了反應活性。因此，T-VS₂特別適合應用在鋰離子與鈉離子電池、超級電容器，以及氫氫析反應等領域，有望能促進更高效的能源儲存、更快速的能量輸出，以及更潔淨的氫能利用（關於更多氫能利用的報導，可以參考文章《邁向零碳未來：以二維材料解鎖氫氣能源》）。

VS₂的自旋效應開啟更多量子應用

不要忘記，T-VS₂還有我們一開始就談到的鐵磁性，這使得我們除了能操控電荷，還有自旋，也就是說，未來在電池或電容器的應用中，我們有機會結合自旋相關效應來提升能量轉換效率或訊號讀取靈敏度，例如，自旋極化電流能降低能量損耗，自旋閥效應可用來提升訊號選擇性，而磁阻效應則能增強裝置在不同狀態下的辨識度，而在氫氣析出反應 (HER) 中，透過磁場更可能影響催化界面的電子態分布，優化反應動力學，開啟所謂「自旋催化」的新方向，綜合這些特性，T-VS₂成為了科學家探討的熱門材料！

T-VS₂以其金屬導電性、層狀結構、多變價態與室溫鐵磁性，展現出獨特的雙重價值：既能在電化學應用中展現高效能，又能結合自旋調控來優化反應條件，下一篇報導，我們將進一步介紹VS₂的另一形態：H-VS₂，H-VS₂以「鐵磁半導體」的身分成為現今半導體產業的明日之星，為晶片產業、自旋邏輯元件及新一代記憶體帶來革命性的契機。

參考文獻

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