新型電漿子閘極 為二維材料量子光電元件開啟新方向

量子光電科技快速發展，如何有效控制二維層狀材料中的光與物質交互作用，已成為發展低功耗光電元件、量子光源與晶片上光子積體電路的重要課題。中央研究院應用科學研究中心副研究員呂宥蓉與日本東京大學化學工程系教授童俊智合作，成功開發以「氮化鉿（HfN）」表面電漿子閘極調控二維半導體發光的新型元件設計。研究證明，過渡金屬氮化物電漿子材料應用於二維材料光電元件中的潛力，為未來節能光電元件與晶片級量子光子技術開啟新方向。研究成果上月25日發表於國際知名期刊《自然光子學》（Nature Photonics）。

該研究由國科會「奈米科技創新應用計畫」支持。國科會表示，本研究利用具有表面電漿子特性的氮化鉿薄膜作為單層二硫化鉬（MoS2）的閘極電極。單層MoS2為典型二維半導體材料，具有直接能隙、強激子響應及可透過外加電場調控光學特性等優勢，被視為次世代光電元件、可調式發光元件與量子光子技術的重要材料平台。

MoS2儘管僅有原子級厚度，仍展現豐富的多體交互作用，可形成三激子、雙激子與暗激子等多種量子準粒子態。團隊透過閘極電場控制，成功主動調控這些激子態的發光強度與光電響應，進一步實現對二維材料發光行為的精準操控。

團隊進一步將大面積單層 MoS2整合於氮化鉿閘極上。氮化鉿除了具備良好的導電性與熱穩定性，也具有特殊表面電漿子特性，可於奈米尺度集中並增強光場。透過異質結構及奈米共振腔設計，能大幅提升二維材料中的光與物質交互作用，使 MoS2中的激子與三激子更容易受到電場與光場的共同調控。

此次開發的新型元件設計透過氮化鉿閘極所提供的能帶排列與載子調控能力，成功在大面積單層 MoS2中實現高效率的三激子發光調變。透過閘極電壓控制，元件可達到比傳統矽閘極元件高五倍的發光電調控幅度，並能在室溫下穩定運作。

研究團隊更近一步在元件中整合金奈米圓盤結構，形成電漿子奈米共振腔。結合奈米共振腔能大幅壓縮光場並提升局域光密度，藉由電漿子與三激子耦合使 MoS2 的調變與傳統矽閘極元件相比發光強度最高增強約 46 倍，同時仍保有閘極調控能力。

這項成果展示過渡金屬氮化物作為「功能性電漿子閘極」潛力，團隊成功證明，以過渡金屬氮化物作為電漿子閘極，不僅能實現大面積二維材料的電性調控，也能同步提升光場強度。未來有望應用於晶片上可重組光源、可見光通訊、低功耗光電調變器及新穎二維材料量子光電元件等前瞻科技。