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2020全球百大科技研發獎，台灣科技勇奪六大獎項🏆
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#科基百科 不是導體、也不是絕緣體的半導體，到底是什麼呢？
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半導體之所以叫半導體，是因為它的導電性介於導體和絕緣體之間，包含矽（Si）、鍺（Ge）等元素，或是砷化鎵（GaAs）、硫化鋅（ZnS）等化合物。
到底是什麼原因，讓半導體具有這樣的特性呢？
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不論是導體、半導體還是絕緣體，皆由許多原子整齊排列而成。上過國中理化的我們也知道，原子內含有許多的電子，而它們也是影響材料導不導電、怎麼導電的關鍵。
當原子們的外層電子合併彼此的能量，就會形成帶狀的「能帶區」，能量較低的稱作「價帶」(valence band)、能量比較高的則稱為「傳導帶」(conduction band)。
電子也和人類一樣，嚮往著穩定生活多美好、三年五年高普考（威～），會傾向往能量較低的價帶移動。因此價帶上總是充滿著電子，傳導帶反而 #查無電子 了。
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這樣的現象若是發生在導體身上，不用擔心！它們的價帶與傳導帶彼此重疊，電子想去哪都可以，導體也因此有著良好的導電性。
如果是在絕緣體身上，則會因為兩者距離遙遠，電子根本無法從價帶移動到傳導帶，也就沒有導電性了。
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那半導體呢？
半導體中的價帶、傳導帶彼此留有完美的距離 #像極了愛情，只要位在價帶的電子獲得足夠能量，就能跑到傳導帶上自由移動，而導電性也就跟著增加囉！
反之，若是能量不夠，電子就沒辦法跳到傳導帶上，此時就不具導電性！
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正確用法：半導體的導電性，介於有和沒有之間
錯誤用法：半導體就是全導體除以 2 啦
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參考資料：寫點科普《晶圓代工爭霸戰：半導體知識（前傳）》、科教館《半導體與發光原理》
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延伸閱讀：
半導體新製程: 奈米碳管 (CNTs)
https://pansci.asia/archives/18590
突破半導體材料限制新契機？二維材料自發磁異向性的新發現
https://pansci.asia/archives/flash/188422
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30歲轉行是失敗者？97歲諾獎得主的一生
誰說改變世界的都是年輕人？
今年的諾貝爾化學獎獲得者John B. Goodenough以他的傳奇經歷給出了答案。30歲入行，年過半百才正式研究電池材料，97歲時收穫諾獎，依舊活躍在科研一線。
今天與大家分享他的勵志故事。
來源丨量子位（ID：QbitAI）
97歲，他還奮戰在科研一線。
John B. Goodenough，人稱“足夠好”老爺爺，近日加冕諾貝爾獎。
10月9日，2019年諾貝爾化學獎頒向鋰電池領域。
Goodenough與M. Stanley Whittingham，以及日本科學家吉野彰（Akira Yoshino）共用了這一獎項。
以表彰他們在鋰離子電池領域作出的貢獻。
諾貝爾評獎委員會稱，三人的研究使鋰電池的使用方式更加穩定，從而開啟了電子設備便攜化進程，為打造一個無線互聯的社會奠定基礎。
引用果殼更科普化的解釋，如果沒有他們，我們每天形影不離的手機就是個隨時可能點燃的炸藥包。
而且Goodenough今年加冕，也刷新諾貝爾獎新紀錄——以97歲高齡，成為最年長的諾貝爾獎得主。
在此之外，他還是美國國家工程院、美國國家科學院、法國科學院、西班牙皇家科學院、英國皇家學會會員，撰寫了超過550篇文章、參與85本著作的編寫，是2009年費米獎得主、2017年威爾齊化學獎得主，還獲得了英國皇家學會的科普利獎章。
但這還不是Goodenough令人稱奇、敬佩的全部。
當他獲獎，外界關注他的履歷，才發現其充滿坎坷和跌宕的一生，簡直就是傳奇的一生、榜樣的一生，勵志的一生。
很難想像，這位鋰電池之父患有閱讀障礙症，成長家庭並不和睦，大學歷經二戰，30歲才拿下博士學位，年過半百才正式研究電池材料。
之後一路開掛，58歲發明鈷酸鋰電池改變世界，75歲以磷酸鐵鋰電池再度改變世界，90歲以後開始研究全固態電池。
至今如此高齡，依舊每週上班5天，仍舊有新研究成果問世。
如果你會有“現在做XX是不是太晚”的疑惑，一定要看看Goodenough這傳奇的一生。
┃如何成為鋰電池之父？
我們先從Goodenough如今成名作說起，看看他的科研之路。
Goodenough的博士本身讀的是固態物理，30歲從芝加哥大學博士畢業，之後去了MIT林肯實驗室，研究記憶體的材料物理和固態陶瓷。
24年之後，Goodenough進行了人生第一次“跳槽”。
那年，牛津大學需要一位能教無機化學，同時也能管實驗室的教授。
Goodenough雖然研究的是物理，但他本科的時候為了湊學分學了兩門化學課，就因此意外的被選中了，進入牛津大學任教，並成為無機化學研究負責人。
正是這一次跳槽，讓Goodenough終於在54歲的年紀開始了一項改變世界的研究。
Goodenough在牛津主要研究的課題是可用於能量轉換的新材料。當時他初到英國，英國化學家、和他一起獲得諾獎的Stanley Whittingham發明了最早的可充電鋰電池，借助鋰能嵌入二硫化鈦層間這一特性，用二硫化鈦做正極，用鋰做負極。
當時的消費電子產品只能使用不可充電的碳鋅電池，雖然已經有了可充電的鉛酸電池，但畢竟用在電動車上的鉛酸電池那麼笨重，是沒法拿來做消費電子產品的。
而Whittingham的這項研究，不僅可以靠鋰離子的運動進行充電，還能用在小型設備上，並在室溫下運行，解決了兩種電池的痛點。
但Whittingham的研究是沒法直接用的，因為有一個大bug：安全問題。
正極，二硫化鈦，在空氣中是非常不穩定；
負極，鋰，這種金屬是易燃；
而且，在充放電過程中，鋰會快速沉積產生枝晶，這樣就容易讓電池短路，這也是現在電動車自燃的元兇之一。
所以Whittingham發明的這種電池雖然原理可行，但容易爆炸，是個危險品，完全沒法應用，需要把正負極的材料都換掉才行。
這個時候，學了30年物理的Goodenough有了一個大膽的想法：把鋰換成氧化物吧。
他判斷，氧化物可以讓電池在更高的電壓下進行充電和放電，根據物理學原理，這種電池會產生更多的電量，並且揮發性會更小。
於是他測試了各種氧化物，發現如果把鈷這種元素放進去會比較穩定。
終於，在Goodenough到達牛津的四年後的1980年，57歲的他和水島公一、Philip Jones、Philip Wiseman共同發現了鈷酸鋰這種物質，讓Whittingham的鋰電池變得穩定多了。
在他的實驗室外面，英國皇家化學學會樹立了這塊藍色的牌子，紀念鈷酸鋰的發現。
不過，鈷酸鋰中的鋰和金屬鋰的化合價是不同的，鈷酸鋰在電池裡是一種正極材料，為了湊成一塊電池，還需要找一種負極材料。
這個時候，日本的索尼出現了，他們發現了石墨可以拿來做負極材料。
然而在英國，因為此前發生過爆炸事故，大家聞鋰電池色變，甚至Goodenough工作的牛津都不願意幫忙申請專利，而是讓英國原子能研究機構申請到了這個專利，後來被索尼買走。
於是，索尼成功接下了這個“燙手山芋”，並和自己研發的負極材料放在一起，創造了新的電池，並將之商業化，用在了各種各樣的電子產品中。
而Goodenough，甚至沒有從如今這價值350億美元的鋰電池市場中賺到錢。不過他本人後來在接受c&en採訪的時候反而很淡定：“我當時並不知道它會值這麼多錢。”
雖然在57歲才發現了讓他名聲大噪的鈷酸鋰，但Goodenough似乎就是一個耐久型選手，後來還發現了許多種電池材料：1983年，61歲的他發現錳尖晶石正極材料；1997年，75歲的他發現磷酸鐵鋰正極材料，這些都是電池正極的升級替代品。
甚至，為了持續做研究，他還打了牛津退休政策的擦邊球。
本來，牛津大學要求65歲強制退休的，但Goodenough不想退休，於是他在64歲的時候又跳槽了。
這次，他回到了美國，在德州大學奧斯丁分校當機械工程和材料科學教授，繼續做研究。
┃閱讀障礙症患者，文學少年讀物理PhD
Goodenough出生於1922年，這是一個科學蓬勃發展的時代。
在這一年，法國醫生卡雷爾發現白血球，加拿大科學家班廷製成人造胰島素。
波爾因關於原子結構以及原子輻射的研究獲得諾貝爾獎。
之後，費米、薛定諤等量子物理領域的大佬開始展露鋒芒。
兒時的Goodenough，雖然家就在耶魯附近，不過出生在了一個學文科的家庭，似乎離這些自然科學家們有些距離。
但數十年後，他也將成為他們中的一員。
當時，擺在他面前的，是怎麼克服自己的閱讀障礙症。因為閱讀障礙症，在小學和中學時代，他受到了不少同學的戲弄。
但在求學過程中，他也慢慢從大自然，以及詩歌和宗教哲學中獲得了力量，贏得了學校的獎學金。
1940年，18歲的Goodenough考入了耶魯大學。
對於他來說，這種對家庭的逃離讓他松了口氣，因為他父母關係並不好。
就在考入耶魯大學之前，他的父母離婚了。他父親（歷史教授）很快就與自己的研究助手成婚。
這個環境讓他頗感壓抑，而且他與自己父親的關係並不怎麼好。
他去耶魯讀書的時候，只從家裡拿到了35美元的資助，而耶魯的學費至少每年900美元。
好在他有獎學金，校長還幫忙安排他去給有錢人家的孩子當家教，靠著半工半讀養活自己，他再也沒問家裡要一分錢。
用Goodenough的原話說，就是“每週工作21個小時掙自己的21頓飯。”
進入耶魯之後，Goodenough還是遵循著自己的興趣，先是選了古典文學，後來轉到了哲學，期間還學習過化學。
之後，在一名教授的建議下選擇了數學專業，並堅持了下去。
但這一路也頗為坎坷，就在讀大學的第二年，珍珠港事件爆發了。
Goodenough選擇了主動申請服役，三年後才回到耶魯大學完成了學業。
畢業之後，他再度返回戰場，加入了美國空軍。
本打算和朋友一樣去報海軍陸戰隊，中途被數學老師叫去說“不要當大兵，我們需要懂數學的人做戰爭氣象預報”，於是沒有上前線，而是負責在一個太平洋的海島上收集資料。
1946年，Goodenough迎來了命運的轉折。當時，美國政府出資，選派軍人去深造，獲得了耶魯大學教授推薦的Goodenough就在其列，他可以選擇在芝加哥大學或西北大學學習物理或數學。
經過重重考慮，他決定前往芝加哥大學攻讀物理學博士。
之前就想過考物理研究生，但被管學生註冊的人告知，物理學裡所有厲害的東西，人家在你這個年紀都已經搞完了，你現在才想著開始啊？
最終，他還是考上了芝大物理系，當時是恩裡克·費米在管，據說費米一上來就給新生安排了一個32小時的超級大考試，每天8小時，連考4天。
第一次考掛了，於是又考了第二次才過，總計64小時。
其後師從著名物理學家齊納，他30歲時發明齊納二極體。
在芝加哥這幾年，他主要的研究固態物理學，並打下了堅實的理論基礎，對於自己人生方向也有了新的思考。
在他求學期間，齊納也給他提供了很大的幫助，他曾對Goodenough說：“你有兩個問題，第一個問題是找到問題，第二個問題是解決問題……”
這一理念，對Goodenough產生了很大的影響。
30歲獲得物理學博士學位之後，經過在MIT的工作以及自身的理解，在牛津大學他選定了自己的方向——電池材料，並一直堅持了下去。
┃還能再戰，不想退休等死
直到現在，他還在科研一線繼續解決“問題”。
2018年，Goodenough接受媒體採訪時也談到了自己的問題，他說：
“我想解決汽車的問題，我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到這一天，我今年 96 歲，還有時間。”
而且，解決問題並不僅僅只是靠口號。
Goodenough仍舊活躍在科研前線，就在最近，他和自己的團隊還發現了一種用於鈉離子電池的新型安全正極材料。
並仍舊有作品發表，比如這篇：
J.B. Goodenough, Personal journey into solid state chemistry, Journal of Solid State Chemistry 271 (2019) 387–392.
（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459618305607 ）
就在幾個月前，他還在採訪中說：
我不想退休等死，我想努力奮鬥，我相信我們正在做的事情是非常重要的。
這些重要的事情有很多，比如他嘗試用自然界中存量更多的鈉代替鋰作為電池材料，以降低電池的成本。
再比如，如何用金屬鋰做正極，製造出更強大的電池。
還有電解質方面，Goodenough也在嘗試用玻璃固態電解質做出更安全的電池。
據說，“足夠好”老先生現在依舊精力充沛，有人在知乎上回答說，整個走廊都能聽到他爽朗的笑聲。
嗯，足夠好，還會更好。
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