中央研究院 研之有物
超薄室温冰晶：意外的铁电材料
水在摄氏零度以下会结冰。然而，当水被挤压到极限时，会形成二维的奈米薄冰，不仅室温下稳定存在，还有从未见过的铁电特性（Ferroelectricity），而石墨烯则是实现这种挤压条件的关键。中央研究院「研之有物」专访院内原子与分子科学研究所的谢雅萍副研究员，她与我们分享了实验室如何意外发现这层特殊的二维薄冰，以及团队如何利用二维薄冰的铁电特性製作有记忆电阻功能的奈米元件，研究成果发表在科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）。
奈米与奈米科技的历史
谢雅萍的主要研究题目之一就是合成新颖的二维材料，这是奈米科技的领域。奈米是什么？奈米（nanometer）是长度单位，即 10-9 公尺，一根头髮的直径长度约为 1 奈米的十万倍。奈米尺度之下，很多物质的特性会随之改变，最常见的例子是「莲花效应」，因为莲花叶上具有奈米等级的表面结构，为莲叶赋予了疏水与自我清洁的特性，脏污与水珠都不易附着在莲叶上。
水在摄氏零度以下会结冰。然而，当水被挤压到极限时，会形成二维的奈米薄冰，不仅室温下稳定存在，还有从未见过的铁电特性（Ferroelectricity），而石墨烯则是实现这种挤压条件的关键。中央研究院「研之有物」专访院内原子与分子科学研究所的谢雅萍副研究员，她与我们分享了实验室如何意外发现这层特殊的二维薄冰，以及团队如何利用二维薄冰的铁电特性製作有记忆电阻功能的奈米元件，研究成果发表在科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）。
奈米与奈米科技的历史
谢雅萍的主要研究题目之一就是合成新颖的二维材料，这是奈米科技的领域。奈米是什么？奈米（nanometer）是长度单位，即 10-9 公尺，一根头髮的直径长度约为 1 奈米的十万倍。奈米尺度之下，很多物质的特性会随之改变，最常见的例子是「莲花效应」，因为莲花叶上具有奈米等级的表面结构，为莲叶赋予了疏水与自我清洁的特性，脏污与水珠都不易附着在莲叶上。
奈米材料（nanomaterial）是指三维尺寸的材料，至少有一个维度的尺寸小于 100 奈米。只缩小一维，就是平面的二维材料（2D），例如石墨烯；缩小两个维度，就是奈米线（1D）；三维都缩小，就是零维的奈米颗粒（0D）。
奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美国物理学家理查费曼（Richard Feynman）在演讲中提出的愿景「为什么我们不能把大英百科全书全部写在一根针头上呢？」。1974 年日本科学家谷口纪男则是首度创造「奈米科技」这个词的人，他认为奈米科技包括原子与分子层次的分离、固定与变形。
过去有不少科学家尝试奈米材料的研发，但受限于製造技术不成熟，而无法顺利製作出精细製程的奈米材料。1981 年，在扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）发明之后，不仅有助于材料的微观分析，操纵单个原子和分子也成为可能，奈米科技也逐渐实现。
生活中的奈米科技
我们生活周遭的奈米科技俯拾即是，从大卖场商品到半导体产业的电子元件都有。谢雅萍举例：防晒霜之所以是白色，是因为里面有二氧化钛的奈米颗粒；许多涂料与喷漆亦会以奈米添加物，来增进耐蚀、耐磨、抗菌与除污的特性，例如汽车镀膜或奈米光触媒；羽球拍或牙医补牙会使用奈米树脂，让球拍和补牙结构更坚固。
我们生活周遭的奈米科技俯拾即是，从大卖场商品到半导体产业的电子元件都有。谢雅萍举例：防晒霜之所以是白色，是因为里面有二氧化钛的奈米颗粒；许多涂料与喷漆亦会以奈米添加物，来增进耐蚀、耐磨、抗菌与除污的特性，例如汽车镀膜或奈米光触媒；羽球拍或牙医补牙会使用奈米树脂，让球拍和补牙结构更坚固。
至于半导体产业，奈米科技更是关键。透过缩小元件尺寸以及调整奈米元件的几何形状，以便于在单一晶片上乘载更多电晶体。「当今的电晶体大小皆是奈米等级，製作电子元件就等同在处理奈米科技的问题」，谢雅萍说道。
意外的惊喜：具铁电性的二维奈米薄冰
对谢雅萍来说，发现二维的奈米薄冰是个意外的惊喜。最初谢雅萍团队其实是要製作以石墨烯为电极的开关，毕竟石墨烯是实验室的主要研究项目，理论上当两层石墨烯很靠近时，分别给予两端电压会是导通的「ON」状态，没电时就是断开的「OFF」状态。
对谢雅萍来说，发现二维的奈米薄冰是个意外的惊喜。最初谢雅萍团队其实是要製作以石墨烯为电极的开关，毕竟石墨烯是实验室的主要研究项目，理论上当两层石墨烯很靠近时，分别给予两端电压会是导通的「ON」状态，没电时就是断开的「OFF」状态。
然而，实验过程中团队却发现当电压为零时，石墨烯开关仍会导通，甚至要给予负电压时才会成为 OFF 状态。这个奇特的现象让研究团队苦恼许久，尝试思考了各种可能性，但都无法完善的说明此现象。
「原本以为实现石墨烯开关应该是一件能够很快完成的题目，没想到过程中却出现了这个意料之外的难题，因此这个研究比预期多花了一两年」，谢雅萍无奈地笑道。
灵感总是突如其来，某次谢雅萍在与朋友讨论研究时，突然想到一个可能的方向：「一直以来都有人猜测水是否为铁电材料，但都没有真正证实。臺湾气候潮湿，开关关不紧会不会就是水的影响？」
设计实验跑下去之后，谢雅萍团队终于摆脱了一直以来的疑云。原来，两层石墨烯结构中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，还是会维持液体的状态。但是我们发现，当水被两层石墨烯挤压到剩下原子厚度时，水分子就会变成具有铁电特性的二维薄冰！」，谢雅萍开心地说道。
铁电材料乍听之下很抽象，谢雅萍表示：「相较于会吸磁铁的铁磁材料，大多数人对铁电材料比较不熟悉，其实概念十分相似」。她说，铁磁材料经过外加磁场的「磁化」之后，即使不加磁场仍可维持原本的磁性。相对地，铁电材料经过外加电场的「极化」之后，即使不加电场仍可维持原本的电荷极化方向。
谢雅萍团队发现的二维冰具有铁电性，这意味着水分子的正负极在外加电场之下会整齐排列，形成一个永久的电偶极，并且在电场消失后保持不变。
接着，谢雅萍发现，二维冰的铁电性只存在于单层原子，增加多层原子之后，铁电性会消失，变成普通的冰，这是因为多层原子的交互作用会打乱原本的极化排列。因此研究团队发现的二维冰，是非常特殊的固态水，不是手摇饮加的冰块那么简单。
因为石墨烯的挤压和固定，二维冰可以在室温下稳定存在，不会蒸发。谢雅萍团队实验发现，要升温到摄氏 80 度，被夹住的二维冰才会变成水。如此大范围的操作温度，这让谢雅萍开始思考将二维冰作为铁电材料使用的可能性。
于是，谢雅萍团队尝试开发新型的电子元件，他们将二维冰与石墨烯整合成机械式的奈米开关。由于二维冰具有铁电特性，在施加不同外加电压之后，元件可以维持上次操作的电阻值，并保留至下次操作，有这种特性的元件称为「忆阻器」（memristor）。
谢雅萍表示：「我们可以藉由不同的外加大电压写入电阻值，再以微小电压读取之前的电阻值，允许快速存取」。而单独一个二维冰奈米开关可以记住 4 个位元的资料，具备未来记忆体的发展潜能。
此外，二维冰奈米开关也是很好的开关装置，团队验证导通电流和截止电流的比值可以达到 100 万，开路和断路的功能极佳，并且允许双向操作。而开关的功能经过 1 万次循环还不会衰减，相当稳定。
谢雅萍团队是全世界第一个证实二维薄冰铁电性的团队，并实现第一个以石墨烯为架构的二维冰机械式忆阻器。她的团队将往新颖二维材料的方向继续迈进，目前实验室有和台积电（TSMC）合作，希望透过产学合作，将更多奈米技术的应用落地实现。
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