第96-86期
中研院原分所尖端材料研究簡介
中研院原分所尖端材料研究簡介
原分所是中研院三十幾個所當中少數座落於台灣大學的，當初李遠哲院士在規劃原分所時堅持選擇設在台灣大學內，主要就是要加強中研院與台大的合作關係，整合中研院的研究人力、設備與台大師資、學生，以期發展成為具有國際競爭力的研究單位。從1982年成立籌備處、1995年正式成所至今，原分所逐漸成長，目前涵蓋化學動態學與光譜、尖端材料與表面科學、生物物理與分析技術、與原子物理與光學等四個研究領域。
尖端材料與表面科學組的前身是表面科學組，其研究重點在創製、量測及應用各種新穎材料，並闡明這些特殊結構或物性的微觀機制，進而嘗試將具潛力的新穎材料推廣至應用層面。早期在莊東榮、王玉麟、林景泉、與宋克嘉等研究員的努力下建立了基礎表面科學實驗室，隨後在陳貴賢、李連忠、王偉華、魏金明、郭哲來的加入後拓展至更多新穎材料研究，所以改名為尖端材料與表面科學組，材料研究成為原分所的研究重點之一。在周美吟所長回國之後進一步拓展量子物理計算的研究，成為當今國內理論計算方面的重要團隊。在王俊凱、陳家俊、林敏聰、汪根欉、邱博文等合聘研究員的參與下，尖端材料與表面科學組成為原分所人數最多並且具有影響力的一個分組。
目前本組成員正積極推動三個主題式的大型合作計畫，彙整較多的人力與資源，以進行具有高能見度的研究方向：
（一）熱電材料及其原理: 由陳貴賢主持的熱電研究計畫在永續科學中心支持下已經進行三年，成員包括]周美吟院士、吳茂昆院士、陳洋元博士、台大周方正、張之威博士等，並與工研院、中國鋼鐵公司合作，針對新穎低維度奈米結構熱電材料之合成與特性研究，包括新穎二維與籠網狀結構熱電材料開發與單晶成長、量子尺寸效應對低維系統材料熱電效率之提升、低成本熱電材料與理論模擬、利用熱傳導的波動性質增強熱電效率等子題做深入的探討。除了學術研究之外，也和工研院、中鋼公司做產業影用合作，並與日本AIST、美國西北大學、印度MNIT、與越南VNUHCM進行國際合作。目前在熱凝膠()熱電複合材料、n-型PbTe熱電材料、與薄膜熱電材料上有大的突破，並在熱傳導的波動性質與理論模擬上有新的進展。
（二）發展奈米電漿聚場效應光譜技術，追求將光譜技術之空間解析度推進至奈米尺度。王玉麟的群組透過表面科學的研究產生高度平整的鋁平面，進而用聚焦離子束定位產生規則排列的孔洞氧化鋁陣列，可以應用在各種光電、感測方面的研究。透過與王俊凱的合作進一步將銀粒子植入孔洞內，可以有效控制銀奈米粒子的大小與間距，作為高靈敏度的表面拉曼光譜（SERS）的基板，有效提升細菌與病毒的偵測度。王玉麟也和大醫學中心合作組成包含材料、光學、醫學等領域專家的大型團隊，進行結核病毒等偵測的不可能任務，這類工作也獲得行政院科技獎。同時，王玉麟利用表面科學技術發現表面奈米奇異原子團，是繼碳-60之後的另一創舉，也開啟了系列表面原子團特性相關的研究。
（三）第一原理理論計算研究材料電子、結構、及動態現象。在理論計算模擬方面，包括周美吟、魏金明、郭哲來等三人，其主要目標是利用現代快速發展的電腦科學及技術，發展及應用最先進的理論模擬方法來提高計算的精確度及效率，同時結合隨機結構搜尋方法、密度泛函理論、GWA和BSE 激發態計算方法、量子蒙地卡羅法等建立一套全新整合第一原理方法的理論軟體平台來有效地預測及甄選適用於新穎能源及元件應用的低維度尖端材料。研究題材的重點是新近發展出之二維層狀結構及其異質結構，特別著重於介面之交互作用對於特殊應用之系統功能設計的效果及影響，希望能夠對於相關新穎材料的基礎性質就理論的觀點提出深入的探討，並藉由理論計算的預測研究，發展其應用潛力與系統功能，同時與相關實驗團隊緊密結合致力於新穎材料之開發。除此之外，郭哲來博士亦著重於探討氫鍵團簇、第一原理之應用、人工智慧方法開發新材料及凝聚態水之相變及等方面的研究。
此外在新穎材料成長方面，從早期陳貴賢的鑽石薄膜、奈米碳管、到石墨烯等，提供合作者各種尖端研究的材料。在鑽石成長方面與林景泉、張煥正共同研究氫原子在鑽石各表面上的鍵結，了解鑽石的表面化學，並探討第四族半導體表面上氫鍵振動相位離散的動態過程。張煥正進一步研究螢光奈米鑽石，作為生醫偵測之用。陳應誠進而利用奈米鑽石缺陷的螢光特性做為量子計算的研究，成就原分所一系鑽石相關的研究工作。陳貴賢與陳家俊成功突破氮化物奈米結構材料的成長後，系列氮化鎵、氮化銦、氮化鋁等奈米結構的研究成為熱門，它們的光電特性、電化學特性、太陽能產氫、以至生醫感測等研究相繼出爐。李連忠加入原分所之後在石墨烯、二硫化鉬等二為奈米材料的成長與特性分析，乃至光電、儲能應用上大放異彩，為本所帶來許多高影響力的論文。
在磁性金屬薄膜方面，宋克嘉與林敏聰研究薄膜引發之表面縐化及其相變、薄膜之磊晶成長及三維團簇形成、薄膜磁性、一維金屬氧化物薄膜形成之機制及其上所衍生奈米金屬粒子之物理化學性質。在光化學方面，林景泉以掃描穿隧顯微鏡直接觀測到經紫外光激發後，成對順反式異構分子如 Stillnene、Azobenzenethiol等的轉換機制，對分子異構物的認知與操控有新的認識。
在能源材料方面，劉尚斌與陳貴賢發展新觸媒，以替代白金作為下一代燃料電池觸媒，利用含有Co-corrin的維生素Ｂ12與合成的Co-corrole、Fe-corrole等作為高性能氧還原觸媒。也將氧化石墨烯等相關材料應用於光觸媒上，有效提升人工光合作用的轉換效率。甚至在加入銅奈米顆粒作為共觸媒之後，進一步提升人工光合作用至百倍以上效率，在替代能源與減碳上有相當潛力。陳貴賢也利用氮化鎵、氧化鋅等奈米材料透過電能或是太陽光激發將水轉換成氫氣，或者是白金替代觸媒作為廉價電解水的技術，可成為未來大量能量儲存的有效方法。同時，該實驗室發展奈米材料作為超級電容材料，可以在高功率下儲存電能，具有未來實用性。
王偉華博士的研究主題是二維材料及奈米結構的傳輸性質，並研究提升這些傳輸性質的方法。有鑑於二維材料對於環境材料的敏感度，操控介面性質、基板表面性質以及二維材料本體的材料特性對於其電學、光學等物理性質均有莫大的影響。該群組利用微米及奈米製程製作奈米器件，展現提升新穎材料的電子傳輸及光電特性。例如運用高疏水性的自組裝層修飾二氧化矽的基板，可作為高品質傳輸性質的石墨烯的介面層，又例如運用小分子以及氧化物的特殊表面處理，可以在石墨烯表層形成非共價鍵的塗佈並同時提供電子轉移的效果，此技術可以製程高品質傳輸性質的石墨烯p-n或p-n-p結的結構，可以作為研究基礎傳輸特性以及新穎電學性質的元件應用。
合聘研究人員的研究主題包括：台大王俊凱博士利用先進光譜技術來研究飛秒時域及奈米尺度下光與物質間的作用，進而應用在有機太陽電池方面。台師大陳家俊博士研究奈米材料合成、檢測、分析，以及這些奈米材料在能源、光電、和生醫方面之應用。台大林敏聰博士但討奈米磁學與自旋電子學，利用自旋極化之穿隧電子掃描顯微鏡以及磁性圓形二色性效應等實驗技術研究材料的磁性，新穎二維材料等。台大汪根欉博士研究功能性有機奈米材料之分子設計與合成，以及這些有機奈米材料在光電與電化學方面之應用。清大邱博文博士從事二維層狀結構材料的成長與能帶結構操控，以及這些二維材料在高速電子元件和光偵測器方面之應用。這些合聘研究人員的研究領域與尖端材料與表面科學組的成員相近並且具有互補性，彼此之間形成緊密的合作關係，有效的增強本組的研究能量。
目前原分所正積極與台大材料系共同開設分子科技學程，在中研院國際研究生院(TIGP)的架構下建立胡作關係，提供優渥獎學金與師資、設備，期望共同拓展尖端材料方面的研究動能，歡迎有興趣同學參加(資訊詢查: http://tigp.sinica.edu.tw/MST.html)。
