用磁性替二維材料「切換電與磁的頻道」：超薄反鐵磁材料如何操控激子與三體激子
當材料薄到只剩一層原子時，電子會展現出許多在傳統材料中看不到的特殊行為。我們將單層二硫化鉬（MoS₂）與僅約 2 奈米厚的反鐵磁氧化物釤鐵氧（SmFeO₃）結合，發現只要改變冷卻時的磁場方向，就能控制二硫化鉬中的載子性質(電)與自旋極化(磁)方向。這項成果為低磁場、低功耗的谷電子與自旋電子元件提供了新的可能性。
一般電子元件主要利用電子的電荷來儲存與傳遞資訊。近年科學家則開始研究電子的自旋，以及能帶結構中的「能谷」，希望發展耗能更低、功能更多元的資訊技術。單層二硫化鉬是研究谷電子學的重要材料。它的能帶中存在兩個可區分的能谷，稱為 K 與 K′ 谷，並且可以透過不同旋向的圓偏振光選擇性地激發。這就像兩條平行的資訊通道，若能有效控制電子進入哪一個通道，便有機會將能谷作為新的資訊載體。研究團隊採用「磁性鄰近效應」解決這項問題。當二硫化鉬與磁性材料緊密接觸時，即使磁性原子沒有直接進入二硫化鉬，界面上的磁性交換作用仍能影響其中的電子狀態。這有點像磁鐵隔著一張薄紙仍能吸引迴紋針，磁性可以跨越界面發揮作用。
這次使用的釤鐵氧是一種反鐵磁材料。反鐵磁材料內部相鄰的磁矩通常朝相反方向排列，因此整體磁性很小，卻具有反應快速、不易受到外界磁場干擾等優點，被視為新世代自旋電子元件的重要材料。這項研究證明，反鐵磁材料不只是被動的磁性基板，也能成為控制二維材料量子態的主動元件。透過選擇適當晶面、控制薄膜厚度與設定冷卻磁場方向，研究人員便能調整單層二硫化鉬中的激子、三體激子、自旋與能谷狀態。
雖然目前現象主要出現在低溫，但這項成果揭示了一種新的材料設計策略：利用超薄反鐵磁氧化物的界面磁性，在低磁場下控制二維材料的準粒子。未來若能將操作溫度提升，並進一步以電場取代冷卻磁場進行控制，將有機會應用於低功耗谷電子元件、自旋電子記憶體，以及結合光、電與磁功能的新型資訊科技。
文章連結：https://pubs.acs.org/aanmf6/article/9/33/15624/5250321/Magneto-Electronically-Coupled-Quasiparticle
2026 二維材料與能谷電子學相關發表。
電子不只會帶電，還會選「山谷」？二硫化鉬能谷電子學的新發現
二維材料家族中單層二硫化鉬，不只可以傳遞電荷，還能利用電子所在的「能谷（valley）」來儲存資訊，因此被認為是下一代能谷電子學（Valleytronics）與量子元件的重要材料。不過，要真正控制這些能谷狀態，最大的挑戰之一，就是如何在材料中穩定地建立「能谷自旋極化（valley spin-polarization）」。
這篇研究利用一種磁性絕緣體—釔鐵石榴石（YIG），與單層二硫化鉬形成異質結構，研究磁性鄰近效應（magnetic proximity effect, MPE）如何改變二硫化鉬中電子的自旋與 valley 行為。 團隊發現，當二硫化鉬與釔鐵石榴石接觸後，釔鐵石榴石的磁性可以「隔空影響」二硫化鉬的電子排列，即使沒有真正的電子交換，也能讓二硫化鉬產生類似磁化的效果。
研究中特別關注一種稱為「三激子（Trion）」的準粒子。三激子可以想像成「一個激子再加上一顆額外的自旋電子」，因此本身具有磁性，對外界磁場與磁性鄰近效應特別敏感。研究團隊利用自旋解析光致激發螢光光譜技術，分析不同圓偏振光下的發光訊號，成功觀察到能谷自旋極化的形成。
更有趣的是，研究發現能谷自旋極化的來源其實包含兩種不同機制：在低溫下（約 40 K 以下），除了電子自旋累積之外，還會出現類似磁場造成的塞曼分裂（Zeeman splitting），使不同能谷的能量位置劈裂；但當溫度升高後，塞曼分裂逐漸消失，只剩下自旋累積持續存在，而且能谷自旋極化甚至能維持到約 200 K。
研究也發現，單層二硫化鉬在轉移到 YIG 上後會產生明顯的電子摻雜效應，使三激子的比例增加。團隊認為，正是這些具有磁性的三激子，成為 YIG 與 單層二硫化鉬之間磁性偶合的重要媒介，進而促成能谷自旋極化的形成。
這項研究的重要意義在於，它顯示出二維材料中的能谷極化不只是單純的磁場效應，而是與三激子、自旋累積、磁性鄰近效應彼此偶合的結果。未來若能進一步透過閘極控制 trion 狀態，就有機會實現可調控的能谷電子元件，推動低功耗量子資訊、自旋電子學與 AI 光電元件的發展。
文章連結：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/adf7b0/meta
2025 二維材料與能谷電子學相關發表。
轉一個角度，就能改變二維材料的發光顏色？
將兩張細密的網格疊在一起，再稍微轉動其中一張，眼前往往會出現比原本網格更大的明暗條紋。這種現象稱為「莫爾圖樣」。在奈米尺度下，當兩種晶體材料以不同角度堆疊時，也會形成類似的週期性結構，甚至改變材料的光電特性。這個新興研究領域被稱為「扭轉電子學」。
我們研究團隊將單層二硫化鉬（MoS₂）成長在單晶藍寶石基板上，發現即使不額外施加電場或摻入其他元素，只要改變二硫化鉬與藍寶石之間的堆疊角度，就能調整二硫化鉬的發光能量(顏色)。二硫化鉬是一種厚度僅約 0.7 奈米的二維半導體。當它吸收光線後，受到激發的電子會與留下的電洞互相吸引，形成稱為「激子」的準粒子。激子重新結合時會放出光，因此其發光能量可以反映材料內部的電子結構。這項特性使二硫化鉬成為發光元件、光感測器及新型光電晶片的重要候選材料。
我們團隊利用化學氣相沉積法，在表面極為平坦的藍寶石上成長單層二硫化鉬。由於不同二硫化鉬晶粒的方向並不完全相同，用以比較各種堆疊角度所形成的界面結構。光致發光量測顯示，激子的發光能量會隨角度呈現規律的六重週期變化。當二硫化鉬與藍寶石的晶格方向對齊，也就是夾角接近 0° 或 60° 時，兩者的原子排列較為緊密，界面作用使二硫化鉬承受較大的平面拉伸應變，造成能隙縮小，激子發光向較低能量移動，也就是「紅移」。當夾角接近 30° 時，原子排列較不緊密，二硫化鉬較能維持放鬆狀態，發光能量因而升高，產生「藍移」。兩種狀態的激子能量差約為 30 毫電子伏特。
這項研究說明，基板並不只是支撐二維材料的底座，更能透過原子排列主動設定材料的性質。未來若能精確控制二維材料的成長方向，便可能在製作過程中直接設計其發光能量，不必再依賴額外的電場、化學摻雜或複雜加工，為可調式光電元件與新世代二維半導體晶片開啟新的設計方向。
文章連結：https://pubs.rsc.org/nr/article/17/10/5700/316835/Intrinsic-setting-of-the-exciton-state-in-MoS2
2025 二維材料與能谷電子學相關發表。
調整反鐵磁晶體切片方向，就能打開二維材料的「能谷磁性」
除了電荷與自旋，電子還可能擁有另一種可用來傳遞資訊的特性，稱為「能谷」。在某些二維半導體中，電子可以分布在不同的能谷，就像車輛行駛在兩條平行道路上。若能控制電子選擇哪一條路，就有機會發展速度快、耗能低的谷電子記憶體與量子元件。
單層二硫化鉬（MoS₂）是谷電子學的重要材料。當它薄到只有一層原子時，能帶中會出現稱為 K 與 K′ 的兩個能谷，分別連結不同的電子自旋與圓偏振光。然而，兩個能谷原本具有相同能量，要使電子偏向其中一側，通常需要持續照射特定偏振光或施加強磁場。一旦外部刺激消失，能谷極化也容易隨之消失。
我們研究團隊嘗試以反鐵磁材料氧化鎳（NiO），替單層二硫化鉬提供磁性。反鐵磁材料內部相鄰的磁矩朝相反方向排列，因此整體磁性幾乎互相抵銷。乍看之下，這樣的材料似乎不適合影響其他磁性狀態，但研究發現，關鍵其實藏在材料表面的晶體方向。氧化鎳具有 G 型反鐵磁排列。當表面沿著（001）晶面切出時，朝上與朝下的磁矩數量相等，磁性彼此抵銷；若表面沿著（111）晶面排列，最外層則會留下未被抵銷的磁矩，形成局部的鐵磁秩序。換句話說，同一種反鐵磁材料只要選擇不同晶面，就能得到「有磁性」或「無磁性」的表面。
我們研究團隊將單層二硫化鉬分別放置在 NiO（111）與 NiO（001）基板上，再利用左右旋圓偏振光進行自旋解析光致發光量測。結果顯示，NiO（111）表面的未抵銷磁矩可透過「磁性鄰近效應」影響二硫化鉬。這就像磁鐵隔著薄紙仍能吸引迴紋針，即使兩種材料沒有混合，界面磁性交換作用仍能改變鄰近材料中的電子分布。在 4 K 下，我們觀察到約 1.97 電子伏特的激子訊號，以及約 1.93 電子伏特的三體激子訊號。激子由一個電子與一個電洞結合而成，三體激子則再多結合一個電子。由於多出的電子帶有未被抵銷的自旋，三體激子對界面磁性特別敏感，其能谷自旋極化程度最高約達 22%。相較之下，放在 NiO（001）上的二硫化鉬，即使降至 4 K 也沒有出現明顯的能谷自旋極化，證明啟動效應的並非氧化鎳的化學成分，而是表面磁矩是否抵銷。晶體方向因此就像一個「磁性開關」：（111）晶面開啟磁性鄰近效應，（001）晶面則將它關閉。
研究也發現，NiO（111）所誘發的能谷極化可維持至約 100 K，顯示三體激子的磁性比一般激子更穩定。這項成果證明，看似沒有整體磁性的反鐵磁材料，仍能藉由精準設計表面晶向來操控二維材料。未來若能提升操作溫度並控制界面品質，便有機會應用於低功耗谷電子元件、光電記憶體及量子資訊技術。
文章連結：https://www.mdpi.com/1996-1944/17/16/3933
2024 二維材料與能谷電子學相關發表。