中研院與東大攜手研發新型光電元件 發光強度增強46倍

圖一 : 中研院應用科學研究中心呂宥蓉副研究員（第1排左3）成功開發以「氮化鉿（HfN）」表面電漿子閘極調控二維半導體發光的新型元件設計。

中央研究院應用科學研究中心呂宥蓉副研究員與日本東京大學童俊智教授團隊合作，成功開發以「氮化鉿（HfN）」表面電漿子閘極調控二維半導體發光的新型元件設計。

該研究大幅提升二維材料的光與物質交互作用，發光強度最高可比傳統矽閘極元件增強約46倍，並於室溫下穩定運作。這項突破為未來的低功耗光電元件與晶片級量子光子技術提供了新方向，成果已於2026年5月25日發表於國際知名期刊《自然光子學》（Nature Photonics）。

此項由國科會計畫支持的研究，首度利用具備表面電漿子特性的氮化鉿薄膜，作為單層二硫化鉬（MoS2）的閘極電極。單層MoS2具有強激子響應，團隊透過閘極電場控制，成功精準操控其內部的三激子、雙激子等量子準粒子態發光行為。相較於傳統金屬電極，氮化鉿同時具備高導電性、熱穩定性與半導體製程相容性，克服了過往元件在高溫與表面平整度上的限制。

研究團隊在大面積單層MoS2與氮化鉿的異質結構中，進一步整合金奈米圓盤以形成電漿子奈米共振腔。實驗結果顯示，單憑閘極電壓控制，該元件的發光電調控幅度即為傳統矽閘極的5倍；而透過共振腔壓縮光場並與三激子耦合後，發光強度更可大幅躍升46倍。此製程完整揭示了電漿子閘極調控二維材料量子態的關鍵機制。

這項技術成功在晶片尺度上同步實現大面積二維材料的電性調控與光場增強，有效解決高度積體化系統的損耗問題。未來該技術有望廣泛應用於晶片上可重組光源、可見光通訊、低功耗光電調變器，以及次世代二維材料量子光電元件等前瞻科技領域。