突破極限：活體電極如何革新高速電子技術
大阪大學産業科學研究所（SANKEN）的研究團隊近期發現，透過溫度控制的二氧化釩（VO2）導電網路，能大幅提升矽元件對太赫茲光的靈敏度。這項突破性研究為高速、低功耗電子裝置的發展開闢了新途徑。
在無線通訊領域，高速且低功耗的電子裝置至關重要。傳統上，提升速度的方法主要是縮小元件尺寸，但隨著微型化技術的推進，製造過程變得日益複雜。我們是否已經觸及技術的極限？答案是否定的！大阪大學的研究團隊提出了一種創新方法：在傳統矽基板上整合結構性超材料（metamaterial），例如圖案化的金屬層，以加速電子流動，從而提升元件效能。然而，如何精確控制超材料結構，使其能根據實際操作條件進行即時調整，仍是一個關鍵挑戰。
為瞭解決這一難題，研究團隊將目光投向了二氧化釩（VO2）。當適當加熱時，VO2層中的小區域會從絕緣狀態轉變為金屬狀態，這些金屬區域能夠攜帶電荷，形成微小的動態電極。研究團隊利用這一特性，成功製造出「活體」微電極，並將其應用於矽光電探測器，使其對太赫茲光的反應能力大幅提升。
研究團隊的首席作者Ai Osaka解釋道：「我們製造了一種含有VO2作為超材料的太赫茲光電探測器。透過精密的加工技術，我們在矽基板上製備了高品質的VO2層，並透過溫度調控，成功將金屬區域的尺寸擴大到傳統方法的數十倍，從而調節了矽基板對太赫茲光的反應。」
當溫度被適當調節時，VO2中的金屬區域形成了導電網路，進而控制了矽層中的區域性電場，提升了其對太赫茲光的靈敏度。資深作者Azusa Hattori補充道：「當光電探測器被加熱至56°C時，訊號強度顯著增強。我們認為這種增強效果源自於矽層與動態導電VO2微電極網路在該溫度下的有效耦合。也就是說，VO2超材料的溫度控制結構調節了電場增強效應，從而影響了矽中的碰撞遊離現象。」
這項研究展示了「活體」VO2金屬區域的溫度調控行為如何增強矽對太赫茲光的反應。這些成果凸顯了超材料在開發先進電子技術方面的潛力，能夠突破傳統材料的限制，滿足速度與效率的需求。
參考文獻：Si–VO2 Hybrid Materials with Tunable Networks of Submicrometer Metallic VO2 Domains Provide Enhanced Diode Functionality by Ai I. Osaka, Masaya Nagai, Shingo Genchi, Boyuan Yu, Rui Li, Hui Ren, Hiroki Momono, Goro Isoyama, Hidekazu Tanaka and Azusa N. Hattori, 25 January 2025, ACS Applied Electronic Materials. DOI: 10.1021/acsaelm.4c01914
經費來源：日本學術振興會、文部科學省、兵庫科學技術協會學術研究補助計畫。
