傳統的太陽能電池多半使用「矽」作為原料，隨著科技發展日新月異，技術成本低、製程短的第三代太陽能電池「鈣鈦礦」，被視為最具潛力替代矽太陽能電池的技術。國立臺灣師範大學物理系教授林文欽率領研究團隊緊跟「鈣鈦礦」熱潮，嘗試結合鐵磁金屬與鈣鈦礦，但光讓兩種截然不同的物質「整齊黏好」是個難題，這項研究透過二維材料成功克服表面張力，為半導體原料研究提供新觀點。

　　林文欽的研究專長為磁物理、表面物理，近年更聚焦可逆氫化磁性材料、新穎二維材料的物理特性、自旋電子元件製作分析的研究主題。該則獲獎論文，就是將帶有磁性的鐵磁金屬與二維材料相融合的一系列跨領域實踐。

　　近年來，科學家嘗試利用鐵磁金屬電子的自旋特性，並讓鈣鈦礦有效控制電子流動，將兩種物質優勢極大化。但如何讓兩種截然不同的物質均勻接觸，而且還要能控制介面品質，避免鐵磁層和鈣鈦礦層之間的相互作用產生負面效應，一度讓研究團隊費盡心思。

　　為了讓兩物質交融，達成一加一大於二的效果，研究過程也證明了「萬事起頭難」。林文欽表示，起初認為只要將鈣鈦礦溶液，塗在金屬表面就可以直接觀察物質特性，但當在把兩物質放在「旋轉塗佈機」操作時，鈣鈦礦溶液卻無法克服表面張力，如同把水滴滴在玻璃後高速旋轉會濺得四處都是水珠，無法均勻散開，研究前期耗費不少功夫在克服技術問題。

　　原始物質不如預期的堆疊，研究團隊擴大操作模式，將各種帶有磁性的金屬都拿來嘗試，經過重重失敗，仍無法克服表面張力的問題。直到在鈣鈦礦和金屬薄膜之間，插入1-2奈米氧化鋁層、單原子石墨烯層的超薄異質介面，也就是在金屬與鈣鈦礦間放入氧化物、二維材料（石墨烯），將這層異質介面作為一種「奈米黏著劑」。

　　研究團隊透過原子力顯微鏡和掃描式電子顯微鏡觀察，研究發現，有機鈣鈦礦成功形成連續緻密、無空隙的薄膜，其粗糙度波動在個位數奈米以內，鈣鈦礦溶液均勻塗抹在磁性金屬表面，顯見奈米尺度的氧化物、石墨烯確實能大幅改善表面張力的問題。

　　這項研究結果，成功探討鈣鈦礦與金屬異質結構的介面問題，也為自旋電子元件的應用開發再開展出一條新的研究道路。不僅如此，該項研究也是跨領域研究合作案例，除了與臺師大物理系教授趙宇強合作，成功大學李亞儒教授也參與其中，鈣鈦礦與磁物理專家共同貢獻專長。

　　林文欽說，這份論文僅是在研究二物質異質接合的基本特性，屬於「基礎研究」，未來想走元件應用的研究。他也提到，愈來愈多二維材料被開發，有新材料就有新特性，只要加以排列組合，就會有很多新發現，未來跨域研究機會只會多不會少。

　　此外，研究團隊還進一步發現，若鈣鈦礦與金屬表面直接接觸，竟會衍生出化學反應的難題。兩種物質相互「氧化還原」後導致金屬與鈣鈦礦的特性全失，形成介面磁性「死層」。但石墨烯的蜂巢結構，讓金屬原子難以穿透產生作用，能夠組隔「氧化還原」發生，避免形成磁性「死層」；同時石墨烯的優異導電性性質，仍舊能夠導通自旋電子流經鈣鈦礦與金屬異質結構兩端。未來如何持擴展至多功能元件應用，後續也成為團隊的新研究方向。

　　從設定研究主題，到克服實驗困境，研究團隊前後約耗時一年。林文欽說，「鈣鈦礦」掀起一波材料研究熱潮，相關領域研究非常競爭，只要做出來的實驗數據具備特殊性，就必須盡快生成研究論文發表。但目前半導體產業仍以「矽」占大宗，「鈣鈦礦」要走入業界成為半導體產業的熱門原料，仍待各界探索各式各樣的可行應用方向。(採訪撰文 | 由本校公共事務中心提供)。

原文出處：Liu, S. Y., Lin, Z. E., Wu, B. T., Chen, T. H., Hung, H. C., Yin, C. H., Hsieh, C. T., Liu, C. M., Liaw, L. J., Hsu, S. Y., Chang, P. C., Chao, Y. C., & Lin, W. C. (2022). Improvement from discrete to uniform wetting of organic perovskite on ferromagnetic metals through a heterointerface. Applied Surface Science,601, Article 154180. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154180