KUO

本實驗室主要研究方向偏重於介金屬化合物(如形狀記憶合金)、窄能隙半導體(如熱電材料)以及金屬氧化物(如巨磁阻、高溫超導體)等功能性材料， 利用量測精確的熱物理量(如熱容量，熱導率和熱電勢)及電特性(如電導率和霍爾效應)的測量，配合實驗室合作獲得其他物理量，對不同功能性之材 料的物理性質做一描述，期能開啟對他類似材料更進一步的認識及設計出有用的新材料。

某些特殊材料的晶體結構含有異向性一維的線性鏈或二維的平面，這種材料即俗稱為低維度材料 (low-dimensional materials)。 許多低維度材料展現非常奇特的物理現象，最廣為人知的便是高溫超導材料，其超導性便和其二維的氧化銅平面結構息息相關。

低維度材料中，一維(或準一維)材料由於其特殊不對稱的晶體結構，因而多種此類材料會隨著溫度的變化展現出各式各樣有趣的相變 (phase transition) 現象， 譬如說charge-density-wave, spin-density-wave, spin-Peierls, order-disorder, magnetic 和 superconducting transitions 等。當此類材料發生相變後， 材料之物理性質會產生巨大的改變，故人們可以利用材料物性的改變，設計出各種功能的元件應用於不同之裝置中。例如，超導相變 (superconducting transition) 可應用於電力載送， 磁性相變 (magnetic transition) 可應用於資料儲存。

另一方面，精確熱物理量(熱導率和熱電勢)及電特性(電導率)的測量可以定量的對熱電材料(thermoelectric material)之熱電優值 ZT = S2Ts/k (Thermoelectric Figure of Merit)， 其中S為熱電勢 (thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T為絕對溫度，s為電導率(electrical conductivity)，k 為熱傳導係數(thermal conductivity)]做分析。 這些熱電材料的改進，將對廣泛用於露營的手提式冷卻器，太空應用和半導體晶片冷卻等產生相當重要的影響。家庭與工業上的冷卻將是全新的，堅固的，安靜的，可靠的，且不必使用會破壞臭氣層的含氯氟碳氫化合物， 熱電材料之熱電優值的提升，將利於環保並能提升能源的利用。由於這項研究尚在起步階段，理論與實務皆有很大的研究空間。

本實驗室擬計畫結合化學與物理兩方面同時進行熱電材料之熱電優值的提升。首先利用化學嵌入，片落，絮凝等技術改善傳統熱電材料之晶體結構，以期提升其熱電優值，然後以物理定性之測量給予新合成材料準確性、 系統性之ZT 隨溫度的變化的測量值，再以理論基礎配合量測結果作為改善晶體長成的依據。期能製造出高ZT值的熱電材料以供業界使用，並對環保與能源節約盡一份心力。

目前本實驗室研究計劃包括：

(1) 相變現象之研究：

本實驗室針對線性一維材料 KCu7-xS4的單晶進行一系列電阻，熱容量，熱傳導係數及熱電勢的測量發現，此一系統具在不同的溫度有非常不尋常的相變； 而且材料的物性隨著x的變化而有巨大的影響。 尤其是其熱容量於相變點不但有熱遲滯現象，且也隨實驗頻率而變化，而顯示此材料之相變的異乎尋常。因此，為了解釋此一特殊的相變現象，本實驗室亦嘗試建立理論之模型以解釋此材料的相變機制， 並以self-consistent及Monte Carlo simulation兩種方法由電腦計算分別得到了一維晶格氣體模型的數值解，此電腦模擬有效地預測了此系統的相變性質及熱遲滯現象。

另外本實驗室亦針對R5T4Si10強相干介金屬材料，藉由熱物理性質的測量與分析對此統的相變做詳盡的研究。此系統其特色為於低溫時同時存在超導相(或磁性相)及電荷密度波相，及其結構雖為三維結構而卻有電荷密度波基態的形成， 這些都是在材料中非常少見的。本實驗室已對R5Ir4Si10 (R=Dy-Lu, Y)、(Lu1-xErx)5Ir4Si10、(Lu1-xScx)5Ir4Si10及Lu5Rh4Si10等材料做了詳盡的量測與分析。

(2) Heusler合金及介金屬材料之熱電性質：

介金屬材料是由多種不同電子結構之金屬元素組合而成。這類材料由於具有侷限的d 電子及非侷限的s或p電子間的強大混成軌域效應，因此多具有複雜的能帶結構，進而展現非常豐富而多樣性的物理現象， 故而研究這類p-電子、f-電子合金或是過渡元素化合物是相當具有學術價值。本實驗室已針對具半金屬特性的Heusler介金屬合金及介金屬材料之熱電性質展開深入之研究。目前材料鎖定Fe2-xV1+xM (M=Al, Ga)、 Fe2VSi1-xAlx、Fe2-xTixSn、Ni2MnGa1-xAlx以及Ni2-xZrxSn等及其衍生物。除了上述材料外，較有潛力的系統是具有MgAgAs結構的half-Heusler合金，而此類材料已被發現具有巨大的熱電勢(S ~ 500 mV/K)， 近幾年來亦引起廣泛的研究興趣。其他的介金屬材料如Ni2MnGa、Er5Si4、CoSi1-xAlx、CoSi1-xGex、RuAl2、(Hf1-xZrx)V2及MnSi1-xGex等系統及其衍生物均具有多樣性的物理特性或相變現象。

其中Ni2MnGa為鐵磁性形狀記憶合金，形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)是一種能夠記憶原有形狀的機能材料。

(3) 熱電材料：

本實驗室目前從事 (Bi1-xSbx)Te3 、Bi2(SexTe1-x)、(Zn1-xCdx)Sb3、(PbTe)n(Bi2Te3)m等傳統熱電材料之長晶及熱電性質之研究。除此之外，亦正積極開始奈米熱電材料的研究。奈米材料有比塊材更多數目的界面(interfaces)， 以及量子侷限化效應(quantum confinement effect)，故奈米結構的材料具有新的物理、產生新的界面與現象，這對提昇ZT值遭遇瓶頸的熱電材料預期應有突破性的的改善，故而奈米科技目前被視為找尋高ZT值熱電材料的希望。

(4) 巨磁阻材料：

本實驗室針對巨磁阻材料La1-xSrxMn1-yRuyO3之熱力學及傳輸性質進行一系列之研究。巨磁阻現象為外加磁場而改變材料電阻之效應。一般金屬電阻隨外加磁場的變化率非常小，而La1-xSrxMnO3材料卻可有超過100%的變化率。由於其磁阻變化率遠大於鐵磁性材料的異向性磁阻（Anisotropy Magneto Resistance，AMS）， 因此稱之為巨磁阻。目前巨磁阻材料深具潛力之應用當首推磁阻性隨機存取記憶體（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM），其特性為在寫入與讀取的速度上可媲美SRAM，以及在記憶容量方面可與DRAM相抗衡。

(5) 形狀記憶合金：

形狀記憶合金(SMAs)是一種能夠記憶原有形狀的機能材料，當合金在低於變態溫度下受到有限度的塑性變形後，可由加熱的方式使其恢復到變形前的形狀，這種特殊的現象稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect)；而當合金在高於變態溫度下，施以一應力使其受到有限度巨視上的塑性變形後，可利用釋放應力的方式使其恢復到變形前的形狀，此種特殊的現象稱為擬彈性或超彈性， 這兩種形狀記憶合金的獨特性質在普通金屬或合金材料上是無法發現的，故此類材料深具研究及應用上之價值。本實驗室研究之SMAs對象大致分為二類，一為具有非常優越的形狀記憶效應的TiNi基SMAs。根據我們初步之精確熱電物理量測實驗中發現，於Ti50Ni50 SMA中有10at.% Ni被Cu取代(即為Ti50Ni40Cu10 SMA)，除會引發一中間B19 (Orthorhombic)相外(即產生B2↔B19↔B19’之變態順序)， 還會大幅改變其麻田散體變態之熱電物理性能。而已報導的文獻顯示此一B2↔B19↔B19’相變態會隨著Cu取代Ni量的增加(例如15at.%Cu，20at.%Cu，25at.%Cu) 其B19↔B19’變態會逐漸被壓抑，但此Ti50Ni50-xCux之系列SMAs與麻田散體變態相關的豐富熱電物理現象卻尚未被闡明，有待進一步釐清。二為近年被發現具有Heusler結構的三元Ni2MnSn基SMAs。Ni2MnSn和Ni2MnGa相似， 是少數在鐵磁態下會發生麻田散體相變的SMA，此一特殊的性質開啟了以磁場控制此類SMAs之形狀記憶效應的可能性。最近文獻相繼報導Ni2MnSn基SMAs成份的改變對其麻田散體相變溫度有極大的影響，即麻田散體相變溫度會隨著Mn原子比例的增加而升高，但卻隨Sn原子比例的增加而降低。從工程實用的觀點而言，如何正確掌握SMAs之相變溫度及其相關之熱電物理性能是非常重要的

總而言之，本實驗室之研究方向偏重於具有特殊功能之材料，利用精確熱物理量(如熱容量，熱導率和熱電勢)及電特性(如電導率和霍爾效應)的測量，配合實驗室合作獲得其他物理量，對各種具有特殊功能之材料的物理性質做一描述，進而能開啟對他類似材料更進一步的認識及設計出有用的新材料。

參考論文

電荷密度波簡介  本文刊登於物理雙月刊三十五卷五期385頁(2013)

熱電材料應用簡介

長程力系統的平均場理論  本文刊登於物理雙月刊廿十四卷二期350頁(2002)