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科學家們利用德國大型粒子物理學研究機構──Deutsches Elektronen-Synchrotron(DESY)的光源研究成果，進一步掌握了兩種可能的新材料介面特性，透過結合這兩種材料介面所產生的特性，可望使其用于打造出更高性能的太陽能電池、新穎超導體以及更小的硬碟。
這項發表于《Nature Communications》科學期刊中的研究，有助于研究人員們瞭解可能產生全新特性的兩項新材料介面。透過由新加坡國立大學教授Andrivo Rusydi以及德國漢堡自由電子雷射科學中心(CFEL)教授Michael Rbhausen為主導的研究團隊及其研究成果，有效解決了在凝態物理學中長久以來存在的一個謎團。CFEL是DESY、德國漢堡大學以及馬克斯普朗克學會(MPI)的合作單位。
「介面是材料研究領域的熱門話題，」Rusydi 說，「如果把兩種不同材料放一起，就可以產生全新的特性。例如，兩種絕緣體與非磁性材料可在其介面上形成金屬與磁性特質。」漢堡大學教授Michael Rbhausen解釋說，這兩種材料特性發生變化的原因在于介面的對稱結構遭被破壞，「兩種材料具有不同的特性與不同的結構，如果你把他們放在一起，他們彼此之間就必須有所妥協以及重新安排，從而產生新的特性。」
大多數的電子會在LaAlO3子層重新分布
左：如果鋁酸鑭層(藍色)少于3個單位電池，電子重新分布于子層。右：如果該層有4個以上的單位電池，部份電子則遷移至介面上。（來源：漢堡大學教授Michael Rbhausen）
例如，利用這些現象就能帶來更小的硬碟。「傳統的硬碟是由該材料的整體物理特性所控制，為了實現微型化，我們必須透過介面結構來控制其物理特性，」 Rusydi說，「但問題是我們還無法完全明白在介面上所發生的變化。」
因此，該研究團隊研究鈦酸鍶(SrTiO3)和鋁酸鑭(LaAlO3)這兩種會在介面處變成絕緣材料的介面。「然而，根據Maxwell理論，應該能觀察到10倍以上的導電率。因此，90%的電荷載子與電子都消失了。這對我們來說完全是個謎，」Rusydi說。
為了尋找「消失的電子」，科學家們利用DESY的同步輻射光源 DORIS III ，在更廣泛的超紫外線能量范圍以泛光照亮兩種材料介面。Rusydi解釋，「材料中的所有電子就像小型天線一樣以不同的波長回應電磁輻射。」這種以特定波長實現同步輻射的吸收作用，揭示相應電子的能量狀態及其于晶格中的藏身之處。
根據研究結果顯示，只有一小部份的電子實際遷移至介面，形成一個導電層。大多數的電子則重新分布于LaAlO3子層，這是用以往的研究方式所無法發現的。此外，科學家們還觀察到電子從晶格轉換到介面上，主要取決于晶格上LaAlO3單位電池的數量。一個單位電池是晶體的最小單位，這表示晶體可用許多一致的單位電池來表示。如果LaAlO3層厚度小于3個單位電池，所有的電子在LaAlO3子層重新分布，完全沒有任何電子再遷移至介面時，使其仍維持絕緣特性。
這就是為什么充份展現介面特性時需要不只一層的LaAlO3，Rusydi解釋，「如果只有一部份的電子遷移至介面，你需要更大量的電子來彌補對稱損失。」透過這項研究結果，科學家們現在更加瞭解這些材料及其介面特性了。「原則上，我們的實驗技術可以用于研究任何介面，」Rbhausen說，「我們才剛剛開始用它來探索材料的基本介面特性，」未來還需要更進一步的探索與實驗。
科學家們預計，在進一步瞭解材料的介面后，就能更容易地根據所需的特性來調整材料的屬性。「如果我們知道如何控制介面，就可以設計出全新的特性以及控制這些才料，」Rbhausen說。
這項發表于《Nature Communications》科學期刊中的研究，有助于研究人員們瞭解可能產生全新特性的兩項新材料介面。透過由新加坡國立大學教授Andrivo Rusydi以及德國漢堡自由電子雷射科學中心(CFEL)教授Michael Rbhausen為主導的研究團隊及其研究成果，有效解決了在凝態物理學中長久以來存在的一個謎團。CFEL是DESY、德國漢堡大學以及馬克斯普朗克學會(MPI)的合作單位。
「介面是材料研究領域的熱門話題，」Rusydi 說，「如果把兩種不同材料放一起，就可以產生全新的特性。例如，兩種絕緣體與非磁性材料可在其介面上形成金屬與磁性特質。」漢堡大學教授Michael Rbhausen解釋說，這兩種材料特性發生變化的原因在于介面的對稱結構遭被破壞，「兩種材料具有不同的特性與不同的結構，如果你把他們放在一起，他們彼此之間就必須有所妥協以及重新安排，從而產生新的特性。」
大多數的電子會在LaAlO3子層重新分布
左：如果鋁酸鑭層(藍色)少于3個單位電池，電子重新分布于子層。右：如果該層有4個以上的單位電池，部份電子則遷移至介面上。（來源：漢堡大學教授Michael Rbhausen）
例如，利用這些現象就能帶來更小的硬碟。「傳統的硬碟是由該材料的整體物理特性所控制，為了實現微型化，我們必須透過介面結構來控制其物理特性，」 Rusydi說，「但問題是我們還無法完全明白在介面上所發生的變化。」
因此，該研究團隊研究鈦酸鍶(SrTiO3)和鋁酸鑭(LaAlO3)這兩種會在介面處變成絕緣材料的介面。「然而，根據Maxwell理論，應該能觀察到10倍以上的導電率。因此，90%的電荷載子與電子都消失了。這對我們來說完全是個謎，」Rusydi說。
為了尋找「消失的電子」，科學家們利用DESY的同步輻射光源 DORIS III ，在更廣泛的超紫外線能量范圍以泛光照亮兩種材料介面。Rusydi解釋，「材料中的所有電子就像小型天線一樣以不同的波長回應電磁輻射。」這種以特定波長實現同步輻射的吸收作用，揭示相應電子的能量狀態及其于晶格中的藏身之處。
根據研究結果顯示，只有一小部份的電子實際遷移至介面，形成一個導電層。大多數的電子則重新分布于LaAlO3子層，這是用以往的研究方式所無法發現的。此外，科學家們還觀察到電子從晶格轉換到介面上，主要取決于晶格上LaAlO3單位電池的數量。一個單位電池是晶體的最小單位，這表示晶體可用許多一致的單位電池來表示。如果LaAlO3層厚度小于3個單位電池，所有的電子在LaAlO3子層重新分布，完全沒有任何電子再遷移至介面時，使其仍維持絕緣特性。
這就是為什么充份展現介面特性時需要不只一層的LaAlO3，Rusydi解釋，「如果只有一部份的電子遷移至介面，你需要更大量的電子來彌補對稱損失。」透過這項研究結果，科學家們現在更加瞭解這些材料及其介面特性了。「原則上，我們的實驗技術可以用于研究任何介面，」Rbhausen說，「我們才剛剛開始用它來探索材料的基本介面特性，」未來還需要更進一步的探索與實驗。
科學家們預計，在進一步瞭解材料的介面后，就能更容易地根據所需的特性來調整材料的屬性。「如果我們知道如何控制介面，就可以設計出全新的特性以及控制這些才料，」Rbhausen說。
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