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具備超越石墨烯優(yōu)勢(shì)的新材料——黑磷

2015-03-06
關(guān)鍵詞: 黑磷 石墨烯

    二維(2D)材料被預(yù)期將在國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)所指的2028年矽材料末日接棒,,其中最知名的就是石墨烯(graphene),;科學(xué)家們也正在研究其他“夢(mèng)幻材料”,包括過(guò)渡金屬硫化物(transition metal dichalcogenides,,TMD),,如二硫化鉬(molybdenum disulphide,,MoS2)?,F(xiàn)在又有一種新的2D材料──黑磷(black phosphorus)──被視為能解決石墨烯的一些問題。

  黑磷沒有石墨烯的缺點(diǎn)──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且與矽不相容,;與矽的相容性可望促進(jìn)矽光子元件(silicon photonics)技術(shù)的發(fā)展,,屆時(shí)各種晶片是以光而非電子來(lái)傳遞數(shù)位訊號(hào)。率領(lǐng)該研究團(tuán)隊(duì)的美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)教授Mo Li表示:“我們首度證實(shí)了晶體黑磷光電探測(cè)器(photodetector)能被轉(zhuǎn)移到矽光子電路中,,而且性能表現(xiàn)跟鍺(germanium)一樣好 ──這是光電探測(cè)器的黃金標(biāo)準(zhǔn),。”

  磷在自然界是一種具備高度活性反應(yīng)的物質(zhì)──這也是為何它們被用來(lái)制造火柴──不過(guò)將磷在烤箱中以精確的溫度烘烤后,,它的顏色會(huì)變黑,,不但性質(zhì)變得非常穩(wěn)定,還轉(zhuǎn)變成一種純晶體型態(tài),,能剝離到矽基板上,。明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員使用20個(gè)單層 (monolayer)的黑磷打造第一款元件證實(shí)其光學(xué)電路,據(jù)說(shuō)可達(dá)到3Gbps的通訊速度,。

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    高性能光電探測(cè)器僅使用幾層黑磷(紅色部分),,就能感測(cè)波導(dǎo)(綠色部分)中的光;也可用石墨烯(灰色)調(diào)節(jié)其性能

 ?。▉?lái)源:College of Science and Engineering,,University of Minnesota)

  黑磷超越石墨烯的最大優(yōu)點(diǎn)就在于擁有能隙,使其更容易進(jìn)行光探測(cè),;而且其能隙是可藉由在矽基板上堆疊的黑磷層數(shù)來(lái)做調(diào)節(jié),,使其能吸收可見光范圍以及通訊用紅 外線范圍的波長(zhǎng)。此外因?yàn)楹诹资且环N直接能隙(direct-band)半導(dǎo)體,,也能將電子訊號(hào)轉(zhuǎn)成光,;Li表示:“我們的短期目標(biāo)之一是制作黑磷電晶 體,而長(zhǎng)期目標(biāo)則是在矽晶片中實(shí)現(xiàn)黑磷雷射元件?!?/p>

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研究人員將黑磷整合到矽波導(dǎo)光干涉儀(途中的細(xì)線),,以精確量測(cè)其光吸收量以及偵測(cè)其中產(chǎn)生的光電流

  (來(lái)源:College of Science and Engineering,,University of Minnesota)

  Li 聲稱,目前正被研究中的各種2D材料里,,黑磷的可調(diào)節(jié)能隙特性與其他材料也擁有的高速運(yùn)作性能之間,,并沒有嚴(yán)重的折衷(trade-off)問題,這使得 該種材料在上述兩個(gè)條件都是“表現(xiàn)最佳”,。贊助此研究案的單位包括美國(guó)空軍科學(xué)研究所(ir Force Office of Scientific Research)以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF),。


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