神奇材料石墨烯样貌多变，过去科学家常利用错位或扭角方式将石墨烯变成超导体、绝缘体或使其具有铁磁性，只不过这些技术难度也高。最近成功大学团队提出一种崭新石墨烯结构，先透过蚀刻技术雕塑氮化硼基板，再将石墨烯原子层铺在基板表面，如此便能让石墨烯依著基板结构更方便拉伸与扭曲。
此外，团队在研究中还带来另一项基础物理重大发现：霍尔效应不用磁场也能生成。
我们知道钻石与石墨是由一模一样的元素构成，但前者是目前已知最硬的天然物质，后者就是铅笔笔芯，一折即断。导致两者特性差异如此之大的原因在于内部原子排列方式不同，这也是从石墨中分离出单原子层二维材料石墨烯具有多元应用的秘密。
近年来，科学家透过类似积木的概念将石墨烯以错位或扭角方式堆叠，借此将石墨烯从零能隙半导体转变成超导体、绝缘体、或像磁铁一样具有铁磁性，比如 2018 年有团队找到 1.1 度“魔角”（magic angle），当将 2 层石墨烯以 1.1 度偏转夹角叠起来并参杂电子后，居然能让材料从绝缘体瞬间转换成超导体。
虽然错位或扭角方法听起来简单，但由于需将薄到仅单原子层厚的二维材料在特定精确角度扭角堆叠（做个比较，1 根头发的厚度是单原子厚度 7 万倍），因此产业应用仍有不小挑战。
▲ 单原子层石墨烯材料堆叠。（Source：成大团队）
为了让制程简单点，成功大学物理系暨前沿量子科技研究中心陈则铭教授、张景皓助理教授团队想出其他方法，先利用半导体常见的蚀刻技术雕塑氮化硼基板成三维结构充当“骨架”，再直接将石墨烯铺在基板表面，有别于以往必须一层一层堆叠石墨烯，新技术能更任意将石墨烯材料的原子排列依著氮化硼基板结构进行拉伸或变形。
除了想出上述新方法，研究团队还带来另一项重大发现，有别于以往科学界认为霍尔效应一定要伴随磁场生成，研究人员确定有 2 种新型态霍尔效应不需要磁场。
霍尔效应于电子感测器等实际日常应用中是相当重要的现象，过去 140 年来，磁场一直被认为是产生霍尔效应的必要条件，但团队在此次石墨烯量子元件上推翻此一论点，证明“非线性异常霍尔效应”与“伪磁场霍尔效应”只需施加电压就能让电子转弯，可运用于芯片整流、倍频、低耗能量子电子（自旋）元件等。
这项基础物理发现有助于未来开发新一代芯片。新论文发表在《自然电子》（Nature Electronics）。
（首图来源：科技新报）
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