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1925年發現的超晶格：這一科學奇蹟如何改變我們的理解？
超晶格的概念自1925年被發現以來，已經成為凝聚態物理和材料科學中最重要的研究領域之一。超晶格是一種由兩種或更多材料的層狀結構組成的周期性結構，通常單層的厚度僅為幾納米。這種結構的獨特性在於其能顯著改變材料的機械和電子性質，使得超晶格在半導體和光學器件中擁有廣泛的應用潛力。
超晶格的發現
超晶格的發現可以追溯到1925年，當時科學家Johansson和Linde通過對金-銅和鈀-銅系統的特別X射線衍射圖案進行研究，首次識別出這種新型的結構。隨後，許多研究者如Bradley和Jay、Gorsky、Borelius、Dehlinger和Graf、Bragg和Williams，及Bethe等也對超晶格進行了實驗觀察和理論探索，深入解析了原子在晶格中從無序狀態轉變為有序狀態的過程。
超晶格的發現不僅是材料科學的一次突破，更是對我們認識晶體結構本質的重要促進。
超晶格的機械性質
根據J.S. Koehler的理論預測，通過交替使用具有高和低彈性常數的材料來構建納米層，可以使剪切阻力提高至100倍，因為在這些納米層中Frank–Read源的位錯無法運作。1978年，Lehoczky首先在Al-Cu和Al-Ag系統中確認了這一現象，隨後Barnett和Sproul等也進行了進一步的實驗驗證，證明了超晶格材料的機械硬度顯著增強。
半導體性質
在半導體超晶格中，若所用材料具有不同的能帶間隔，則每個量子井會建立新的選擇規則，影響電荷在結構中的流動條件。自Esaki和Tsu在1970年提出合成超晶格以來，對這種超細半導體（如今被稱為量子結構）的物理學進行了不少研究。量子限制的概念使得我們能夠在孤立量子井異質結構中觀察到量子尺寸效應，並且這一現象通過隧穿效應與超晶格密切相關。因此，這兩者的討論經常基於相同的物理原則，但它們各自針對的應用在電氣和光學設備中卻有所不同。
半導體超晶格的類型
半導體超晶格的迷你帶結構取決於異質結構的類型，包括 I 型、II 型和 III 型。I 型結構中導電帶的底部和價帶亞帶的頂部位於同一半導體層，而在 II 型中，導電和價帶亞帶在實空間和倒易空間中的布置為錯綜複雜，使得電子和孔徑被限制在不同的層。III 型超晶格則涉及類似HgTe/CdTe的半金屬材料，能夠在半導體至零帶隙材料之間進行連續調整，甚至轉變為帶有負帶隙的半金屬。
超晶格的製造
目前，超晶格的製造技術多種多樣，但最常見的方法是分子束外延（MBE）和濺射技術。利用這些方法，可以生產厚度僅為幾個原子間距的層。例如，[Fe20V30]20描述了一種交替層，包含20Å的鐵（Fe）和30Å的釩（V），重複20次，最終厚度達到1000Å或100nm。MBE技術對於半導體超晶格的製造至關重要。
超晶格的獨特性在於其組成材料的性質和結構的交替交互，能夠開啟新型應用的可能性。
其他維度的超晶格
隨著二維電子氣（2DEG）的普及，研究者們試圖創造可以稱之為二維人造晶體的結構。這種結構通過對半導體間界的施加附加調製勢能V(x,y)來實現。與上述的經典一維超晶格的情況不同，這通常需要通過在異質結構表面沉積合適模式的金屬閘或進行刻蝕來完成。當V(x,y)的振幅較大時，就可以形成新的超晶格結構。
這些研究表明，超晶格不僅是材料的集合，更是物理現象的舞台，未來的發展有可能改變我們對材料和其應用的根本認識。那麼，超晶格的探索和應用，又將如何繼續塑造未來的科技與生活呢?
