在電子材料領域，「缺陷」往往意味著性能下降甚至器件失效。但南洋理工大學的一項新研究發現，在超薄氮化鎵中，某些經過設計的原子級缺陷，未必只是需要消除的問題，也可能成為調控材料性能的工具。
傳統晶片製造，為何如此在意「缺陷」？ 晶片製造總讓人聯想到無塵服、超潔凈廠房和一塵不染的生產線。這種印象並沒有錯。
在傳統半導體製造過程中，非預期的雜質、晶格損傷和加工誤差，可能造成漏電、信號失真、性能波動，甚至降低整批晶片的良率。因此，製造商通常會儘可能減少不受控制的缺陷。
不過，現代晶片並不是絕對追求「零雜質」。事實上，半導體行業也會通過精確摻雜，在材料中主動加入特定原子，以改變其導電性能。
如今，研究人員正在把這種思路向前推進一步：除了摻入新的原子，材料中「缺少一個原子」所形成的空位，也可能被有目的地利用。
反其道而行：當「缺陷」成為一種可控資源 這項研究聚焦的是一種名為氮化鎵的半導體材料。
氮化鎵已經被應用於高功率電子器件、射頻設備和發光器件等領域。而當氮化鎵被製成只有一個或少數原子層厚度的超薄材料後，它的電子結構會變得更加容易受到外部環境和微觀缺陷的影響。
南洋理工大學機械與航空航天工程學院的研究人員，利用第一性原理計算，模擬了超薄氮化鎵中不同原子空位的作用。
Tian Yujia 博士在2023年自然大會上展示了她的研究成果：功能性二維材料 研究主要考察了兩類缺陷：一種是材料中少了一個鎵原子，另一種是少了一個氮原子。這些缺失原子所形成的「空位」，可能改變材料的電子結構、磁性，以及對氣體分子的吸附能力。
研究人員還進一步分析了這些缺陷在外加電場和材料應變作用下的表現。
結果顯示，在特定條件下，部分空位缺陷可能提高超薄氮化鎵在強電場環境中的電子穩定性。材料受到拉伸或壓縮時，其電子狀態發生轉變所需要的電場強度也可能隨之改變。
換句話說，研究人員不再只是問「怎樣消除缺陷」，而是開始探索： 能不能通過選擇缺陷的類型，並結合電場和應變，定向調節材料的性能？
從「消滅缺陷」到「製造缺陷」 這類研究通常被稱為「缺陷工程」，核心並不是讓材料隨機產生損傷，而是在明確缺陷類型與作用機制的基礎上，有目的地引入和調控原子級缺陷。
在這項針對超薄氮化鎵的研究中，科學家關注的是鎵空位和氮空位等「缺失原子」形成的結構變化。這些缺陷並非簡單的破壞，而可能改變材料的電子行為、磁性以及與外界環境的相互作用。
研究還指出，通過外加電場和材料應變的配合，不同缺陷會呈現出不同的物理響應。這意味著材料性能不再完全由「完美晶體結構」決定，而是可以通過缺陷類型進行一定程度的調控。
不過，這一過程目前仍主要基於理論計算與模擬分析，並不代表已經實現對材料的「隨意編程」，更多是為後續實驗和器件設計提供方向。
從「消除缺陷」到「理解缺陷」，再到嘗試「利用缺陷」，這一思路正在改變人們對材料完美性的傳統認知。
📌 要點總結
✦研究對象
這項研究聚焦超薄氮化鎵，而不是泛指石墨烯或其他二維材料。
✦核心發現
鎵空位和氮空位等原子級缺陷，可能調控材料的電子、磁性與氣體吸附性質；在電場與應變作用下，部分缺陷甚至可能提升材料的穩定性。
✦研究意義與階段
研究提出「智造缺陷」的思路，即通過控制缺陷類型來調節材料性能，但目前仍基於理論計算，需進一步實驗驗證。
當「不完美」成為新機遇，未來科技正在被重新定義。
