隨著量子光電科技進入高度商業化與積體化階段，如何精準控制二維層狀材料中的光與物質交互作用，成為全球半導體產業的下一個決戰點。在國家科學及技術委員會奈米科技創新應用計畫支持下，中央研究院應用科學研究中心副研究員呂宥蓉與日本東京大學化學工程系教授童俊智跨國合作，成功開發出以氮化鉿（HfN）表面電漿子閘極調控二維半導體發光的新型元件。此項突破性設計不僅將元件發光強度大幅推升約46倍，更完美克服了傳統金屬電極的製程相容性瓶頸。這項為次世代量子光子晶片奠定關鍵基石的重大成果，已於2026年5月25日正式登上國際頂尖學術期刊《自然光子學》（Nature Photonics）。
突破傳統矽閘極限制，精準掌握量子準粒子態
單層二硫化鉬（MoS2）作為典型的二維半導體材料，具備直接能隙與強烈的激子響應，被視為開發低功耗光電元件與量子光源的絕佳平台。然而，傳統光電系統在晶片尺度的微縮過程中，往往面臨光損耗過高與電性控制不易的困境。為突破此一技術天花板，研究團隊捨棄傳統矽閘極，創新導入具備優異導電性與表面電漿子特性的氮化鉿薄膜作為閘極電極。
透過大面積異質整合，研究團隊得以利用閘極電場，精準且主動地調控二硫化鉬中包含三激子與雙激子等多種量子準粒子態的發光強度。實驗數據顯示，新型氮化鉿閘極元件的發光電調控幅度高達傳統矽閘極元件的五倍，且能在室溫環境下展現極佳的運作穩定性，徹底展現了過渡金屬氮化物在奈米尺度下集中並增強光場的卓越特性。
發光強度飆升46倍，引爆積體光電晶片商機
為進一步挑戰光與物質交互作用的物理極限，研究團隊在氮化鉿閘極元件中完美整合了金奈米圓盤結構，形塑出高度集中的電漿子奈米共振腔。這項精密的奈米級設計大幅壓縮了光場並提升局域光密度，透過電漿子與三激子的深度耦合，使元件的最終發光強度相較於傳統矽閘極暴增約46倍，同時依舊維持優異的閘極調控靈敏度。
從產業應用的宏觀視角來看，傳統金屬雖可作為電極，但在高溫穩定性與半導體製程相容性上始終存在致命缺陷；而過渡金屬氮化物如氮化鉿，則完美兼具熱穩定性與現行半導體製程的無縫接軌能力。這項從材料成長到元件製作完整驗證的科研成果，不僅證明了大面積二維材料電性調控與光場強化的可行性，未來更有望全面導入晶片上可重組光源、可見光通訊以及低功耗光電調變器等前瞻商業應用，為全球積體光子產業擘畫出全新的技術藍圖。
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