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拓撲研究又一突破 中山登「科學報告」期刊
國立中山大學物理系副教授黃旭明與材料與光電科學學系教授周明奇團隊研究拓撲絕緣體,最新論文以「鉍硒銻拓撲絕緣體奈薄片中厚度相關的導電率」(Thickness-dependent conductance in Sb2SeTe2 topological insulator nanosheets)為題,投稿一周即獲國際頂尖期刊「科學報告」(Scientific Reports)刊登。

「這次我們利用不同厚度的樣品來研究這個材料的電性」,黃旭明表示,由理論的預測來看,其實大家都知道拓撲材料應該具有這個特性,但由於樣品的品質還有快速劣化等一些實驗因素,這個結果沒有被漂亮地觀測出來。「這次我們克服了如快速劣化等問題,成功地將這個行為漂亮地觀測出來;並且從多個實驗方式都得到一致性的結論 」黃旭明振奮地說。

黃旭明解釋,如一般物理教科書上提到的,電阻率是一個材料的特性,這個特性不會隨著材料幾何形狀而改變。拓撲絕緣體是一個新穎的材料,這個材料具有絕緣體般的主體態和高導電率的表面態。這類材料的電阻率就由主體態和表面態按兩者比率的組合(材料的厚度)而決定。

黃旭明進一步把研究材料用蛋糕來比喻。他說,這個有點類似傳統的材料,就像是單純的海綿蛋糕,無論厚度或是形狀如何改變,口感都一樣。而拓撲絕緣體則像巧克力蛋糕,主體是甜的海綿蛋糕體加上一層苦的巧克力表面,這個蛋糕的口感則由海綿蛋糕主體和巧克力表層組合而成;不同的海綿蛋糕厚度就有不同的甜度和口感。因此,如何去將這兩個特性個別地萃取出來就是科學上一個研究的主題。

長久以來,大家都知道改變這個材料的厚度就可以實現這個目的。然而,研究的報導都顯示這類的材料時常有氧化或是一些實驗技術的問題造成實驗上嚴重的誤差,也因此無法有很明確的結果。黃旭明表示,研究團隊去年首次發現Sb2SeTe2這個拓撲絕緣體有著不會氧化的特性,這個成果激發了現在這個研究,他們將這個材料製作成一系列奈米等級厚度的薄片,並萃取個別的特性。結果顯示,本次實驗成果是第一個將這個特性完美呈現並且提出了理論可以完美解釋這個材料與厚度關係的研究;從電性、光學還有理論等多方面的驗證都顯示著一致的結果。
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