成大跨校團隊研究登《Nature》原子堆疊讓雙層二維半導體重新「發光」

【勁報記者于郁金/臺南報導】臺灣半導體科研再傳捷報，隨著電晶體微縮技術逐漸逼近物理與製程極限，全球半導體產業邁入「後摩爾時代」，新型半導體材料的開發已成為國際研究焦點；國立成功大學核心設施中心林光儀博士(兼任智慧半導體及永續製造學院助理教授)攜手跨校研究團隊，成功運用化學氣相沉積(CVD)技術，精準控制二硫化鉬(MoS₂)雙層材料原子堆疊方式，製備出特殊的1H堆疊雙層MoS₂，突破傳統雙層MoS₂受間接能隙限制材料特性，使其重新展現直接能隙與優異谷極化功能；這項突破性研究成果已刊載於2026年10月1日出版國際頂尖學術期刊《自然(Nature）》。

 

成大指出，目前半導體電晶體仍以矽基材料為主，過去，半導體產業遵循「摩爾定律」，透過持續縮小電晶體尺寸、提高晶片上電晶體密度，推動運算效能與技術進步；然而，隨著元件持續微縮，物理限制、製造難度及成本日益增加，產業發展已不再單純仰賴製程尺寸縮小，而是積極探索新材料、新架構與異質整合技術，為後摩爾時代尋求新突破方向。

 

2010年諾貝爾物理學獎表彰石墨烯(Graphene)開創性研究，為半導體與材料科學開啟嶄新視野；石墨烯與MoS₂均屬於二維材料，具有原子級厚度及獨特電子與光學特性，被視為新世代半導體元件重要候選材料；其中，MoS₂因兼具半導體特性與光電應用潛力，近年已成為國際研究重要方向。

 

這項研究由成大核心設施中心助理研究員暨非破壞性分析技術長林光儀博士，與國立臺灣師範大學物理學系藍彥文教授、陸亭樺教授及楊弘偉博士後研究員共同擔任通訊作者，並攜手國立臺灣大學、國立陽明交通大學及國家同步輻射研究中心等跨校研究團隊，整合材料成長、先進分析、理論計算與光譜量測等專業技術，展現跨校、跨領域合作研究實力。

 

林光儀博士分享，石墨烯研究突破，源自科學家運用不同於傳統材料製備方式，透過膠帶反覆剝離石墨，成功取得單層石墨烯，為二維晶體的研究開啟新頁。

 

具有物理學背景林博士，在研究過程中意外觀察到雙層MoS₂展現顯著發光特性，與過去對雙層材料普遍認知有所不同，因而引發深入探究興趣；研究團隊歷經反覆實驗與多項技術交叉驗證，終於確認這項特殊結構所呈現物理特性。

 

一般而言，單層MoS₂具有直接能隙，能有效產生光學發光；然而，當材料增加至雙層時，常見2H或3R堆疊方式，因原子層之間相對排列及層間耦合作用，會改變電子能帶結構，使材料通常轉為間接能隙半導體，導致發光效率大幅下降，也限制其在發光元件、光偵測器及谷電子學等領域應用。

為突破此一限制，研究團隊發展出兩階段化學氣相沉積成長策略，並利用快速淬火技術抑制晶格重新排列，使第二層MoS₂能在第一層上方精準對位成長，形成過去極難穩定取得1H堆疊結構；此項成果證實，透過改變原子堆疊方式，即可調控雙層材料電子能帶結構，使其展現直接能隙及優異光學特性。

 

為確認特殊的原子堆疊結構及其物理特性，研究團隊整合原子尺度掃描穿透式電子顯微術(STEM)、電子繞射、第二諧波產生(SHG)、光致發光(PL)、密度泛函理論(DFT)計算及角解析光電子能譜(ARPES)等技術，從原子結構、電子能帶到光學性質，進行多尺度交叉驗證，建立完整研究證據。

研究結果顯示，1H堆疊雙層MoS₂層間距約為0.674奈米，大於傳統3R堆疊約0.617奈米，反映其具有較弱層間耦合；進一步透過DFT計算與ARPES量測，確認此特殊原子排列能改變材料電子能帶結構，並呈現直接能隙特性，突破傳統雙層MoS₂物理限制。

 

除電子能帶結構的突破，1H堆疊亦展現顯著的光學優勢；光致發光量測顯示，其激子積分發光強度約為單層MoS₂的1.6倍，更達傳統2H及3R雙層材料約6.8倍；在共振激發條件下，1H雙層MoS₂於室溫下的圓偏振度約為21%，與單層MoS₂的18%相當；在非共振激發條件下，其A激子谷極化度則約為單層2倍。

 

此項研究證明，未來二維半導體材料設計，除改變材料種類與厚度，更可進一步透過精準控制原子堆疊方式，調控材料基本電子與光學性質；這項策略未來可望延伸應用於超薄發光元件、光偵測器、光資訊處理、谷電子學及量子功能元件，為後摩爾時代半導體技術與新興量子科技提供新材料設計方向。

 

此次成果亦展現成功大學核心設施中心在先進材料分析與跨領域研究上支援能量；核心設施中心整合高階材料檢測及半導體製程相關儀器，持續發展自主建置檢測分析技術，提供校內外研究團隊專業技術與儀器設備支援；中心亦投入自製多光子顯微系統等先進技術開發及二維材料相關研究。

 

林光儀博士表示，這項研究成果有賴跨校研究團隊長期投入與密切合作，並感謝國家科學及技術委員會專題研究計畫及尖端晶體材料開發及製作計畫的經費支持，及成大與核心設施中心在研究資源、專業技術及先進儀器設施等方面所提供協助，讓跨領域研究構想得以逐步實現，並在國際頂尖學術期刊發表成果，展現臺灣在二維半導體材料研究上科研實力。

 

論文名稱：Stacking-induced direct band gap in CVD-grown 1H MoS₂ bilayers
期刊：Nature, Volume 658, pp.71–77 (2026)
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-11069-3

(國立成功大學提供照片)