二維(2D)材料被預期將在國際半導體技術藍圖(ITRS)所指的2028年硅材料末日接棒,其中最知名的就是石墨烯(graphene);科學家們也正在研究其他“夢幻材料”,,包括過渡金屬硫化物(transition metal dichalcogenides,TMD),,如二硫化鉬(molybdenum disulphide,,MoS2)。現(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──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且與硅不相容;與硅的相容性可望促進硅光子元件(silicon photonics)技術的發(fā)展,,屆時各種芯片是以光而非電子來傳遞數(shù)字信號。率領該研究團隊的美國明尼蘇達大學教授Mo Li表示:“我們首度證實了晶體黑磷光電探測器(photodetector)能被轉移到硅光子電路中,,而且性能表現(xiàn)跟鍺(germanium)一樣好──這是光電探測器的黃金標準,。”
磷在自然界是一種具備高度活性反應的物質(zhì)──這也是為何它們被用來制造火柴──不過將磷在烤箱中以精確的溫度烘烤后,,它的顏色會變黑,,不但性質(zhì) 變得非常穩(wěn)定,還轉變成一種純晶體型態(tài),,能剝離到硅基板上,。明尼蘇達大學的研究人員使用20個單層(monolayer)的黑磷打造第一款元件證實其光學 電路,據(jù)說可達到3Gbps的通訊速度,。
高性能光電探測器僅使用幾層黑磷(紅色部分),,就能感測波導(綠色部分)中的光;也可用石墨烯(灰色)調(diào)節(jié)其性能(來源:College of Science and Engineering,University of Minnesota)
黑磷超越石墨烯的最大優(yōu)點就在于擁有能隙,,使其更容易進行光探測;而且其能隙是可通過在硅基板上堆疊的黑磷層數(shù)來做調(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。此外因為黑磷是一種直接能隙(direct-band)半導體,,也能將電子信號轉成光;Li表示:“我們的短期目標之一是制 作黑磷電晶體,而長期目標則是在硅晶片中實現(xiàn)黑磷雷射元件,?!?/p>
研究人員將黑磷整合到硅波導光干涉儀(途中的細線),以精確量測其光吸收量以及偵測其中產(chǎn)生的光電流(來源: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作性能之間,,并沒有嚴重的折衷(trade- off)問題,,這使得該種材料在上述兩個條件都是“表現(xiàn)最佳”。贊助此研究案的單位包括美國空軍科學研究所(ir Force Office of Scientific Research)以及美國國家科學基金會(NSF)。