二維VS2的雙重靈魂，金屬還是半導體？（下）

當VS₂的原子堆疊方式由T相的八面體轉變為H相的三角棱柱，其電子軌域與能帶結構被重新排列，開啟了可調帶隙，成為了電荷傳輸可被控制的半導體，而它的能隙範圍正好落在人眼可見光範圍中，能吸收可見光與傳導電子，因此還能被應用在光電元件中，更重要的是，其室溫鐵磁性讓電子能同時攜帶電荷與自旋，能為增加資訊乘載量、運輸速率及降低耗能。讓我們一起來認識具有半導體靈魂的H-VS₂。

撰文｜黃鼎鈞

在上一篇〈二維VS₂的雙重靈魂〉中，我們看見了T相VS₂如何以層狀結構、多變價態、金屬導電性以及室溫鐵磁性成為了能源與電化學領域的明日之星。這一次我們要來認識VS₂的另一面——H相，當原子的堆疊方式從八面體變為三角棱柱，VS₂的物理性質產生了變化，它不再是電子能自由徜徉的金屬，而是電子運動受控的半導體。

從金屬到半導體的結構轉換

H-VS₂屬於三角棱柱 (trigonal prismatic) 結構，與T相相比，其V–S鍵角與層間距離的變化，使得原子排列與電子軌域的重疊方式改變，特別是造成d軌域的能階分裂，因而打開了能隙 (bandgap) 調整了能帶結構，讓H-VS₂呈現出半導體性質，因此電子可以被侷限在能帶中，使得電荷傳輸可被控制。根據理論計算，H-VS₂的能隙約介於0.5至1 eV，並且可透過外加應變力、電場或層數控制進一步調整，使我們能根據特定的電壓需求設計電晶體通道、邏輯閘，且這樣的能隙大小正好落在可見光與近紅外光之間，也就是H-VS₂能在人眼可見的光譜範圍中來進行「吸收光能」與「傳導電子」，亦被期待應用在光感測器、太陽能電池或光通訊模組等等的光電元件之中。

鐵磁半導體為元件開外掛

當然，H-VS₂最吸引科學家的不只是半導體的特性，而是它的室溫鐵磁性，也就是說我們有機會製造出「自旋可控的半導體」，與傳統矽基半導體相比，電子在傳輸時不僅攜帶電荷，也攜帶自旋，它不僅能記錄0與1，還能記錄「自旋向上」與「自旋向下」兩種量子狀態，使運算效率與資料密度大幅提升，這樣的特性被期待能應用在「自旋場效電晶體 (spin-FET)」與「磁性隨機存取記憶體 (MRAM)」。自旋場效電晶體就像一種升級版的電晶體，它不只開關電流，還能控制電子的「方向」，就像一條高速公路上，車流除了快慢，還能分成向北與向南的車道，能控制電子方向的好處，是能讓訊號更穩定、能量損失更少，甚至能同時在同一條導線上處理多種訊息，使電腦運算更快、功耗更低；磁性隨機存取記憶體，則是一種能用磁性方向記錄資料的記憶體，就算斷電資料也不會消失，讀寫速度快、耗能低，被視為未來電腦與手機儲存技術的重要方向。

熱起來就變臉的VS₂

首先，只要一熱起來，H-VS₂就會「轉換靈魂」，因為H-VS₂的原子間鍵結能較低、且與T-VS₂的結構能量差距小，使得H-VS₂容易在熱擾動下轉變為T-VS₂，也就是在高溫時VS₂很容易又從半導體又變回金屬相，因此如何讓H-VS₂保持穩定，仍是應用上要克服的挑戰。另一個挑戰則是與現有半導體元件的整合困難，因為根據目前的文獻報導，H-VS₂的製程溫度在700度以上，而主流的半導體材料在450度以上就會產生變質，進而造成元件受損，因此如何以更低溫的方法來方法來製備VS₂，以致於能整合進現有的半導體元件中，仍是科學家正在探索的。為了克服這些挑戰，科學家正積極探索低溫化學氣相沉積 (CVD) 法、鹽輔助成長與原子層轉換策略，以穩定H相的形成。

T-VS₂因其金屬導電性成為電化學與能源的突破；而H-VS₂的半導體特性則促進了資訊與自旋邏輯的發展，而VS₂帶有的鐵磁特性又同時打開了自旋調控的額外可能，單單一層原子層，因為堆積的方式不同，就有截然不同的宏觀特性， 讓我們看到物質世界的精妙設計，正所謂：「差一點就差很多！」在VS₂的雙重靈魂中，我們不妨可以試著天馬行空的想像：「如果VS₂的金屬與半導體能被自由切換，會怎麼樣？」或許，材料本身就能根據環境與指令變化行為：當需要高導電性時，它化身為金屬；當需要邏輯運算或訊號處理時，它轉為半導體。這樣的材料能讓裝置自我學習、即時反應，電腦不再只是執行指令，而是能『感覺』能源流動、調整策略，也就是一種「會思考的材料」，針對VS₂的雙重靈魂，你也有什麼大膽的想像嗎？

參考文獻

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