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解密新材料黑磷:比石墨烯更“梦幻”?

发布日期:2015-03-13

OFweek电子工程网讯:二维(2D)材料被预期将在国际半导体技术蓝图(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);科学家们也正在研究其他“梦幻材料”,包括过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides,TMD),如二硫化钼(molybdenum disulphide,MoS2)。现在又有一种新的2D材料──黑磷(black phosphorus)──被视为能解决石墨烯的一些问题。

黑磷没有石墨烯的缺点──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且与硅不相容;与硅的相容性可望促进硅光子元件(silicon photonics)技术的发展,届时各种芯片是以光而非电子来传递数字信号。率领该研究团队的美国明尼苏达大学教授Mo Li表示:“我们首度证实了晶体黑磷光电探测器(photodetector)能被转移到硅光子电路中,而且性能表现跟锗(germanium)一样好──这是光电探测器的黄金标准。”

磷在自然界是一种具备高度活性反应的物质──这也是为何它们被用来制造火柴──不过将磷在烤箱中以精确的温度烘烤后,它的颜色会变黑,不但性质变得非常稳定,还转变成一种纯晶体型态,能剥离到硅基板上。明尼苏达大学的研究人员使用20个单层(monolayer)的黑磷打造第一款元件证实其光学电路,据说可达到3Gbps的通讯速度。

比石墨烯更“梦幻”?解读新材料黑磷

高性能光电探测器仅使用几层黑磷(红色部分),就能感测波导(绿色部分)中的光;也可用石墨烯(灰色)调节其性能(来源:College of Science and Engineering,University of Minnesota)

黑磷超越石墨烯的最大优点就在于拥有能隙,使其更容易进行光探测;而且其能隙是可通过在硅基板上堆叠的黑磷层数来做调节,使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长。此外因为黑磷是一种直接能隙(direct-band)半导体,也能将电子信号转成光;Li表示:“我们的短期目标之一是制作黑磷电晶体,而长期目标则是在硅晶片中实现黑磷雷射元件。”

比石墨烯更“梦幻”?解读新材料黑磷

研究人员将黑磷整合到硅波导光干涉仪(途中的细线),以精确量测其光吸收量以及侦测其中产生的光电流(来源:College of Science and Engineering,University of Minnesota)

Li声称,目前正被研究中的各种2D材料里,黑磷的可调节能隙特性与其他材料也拥有的高速运作性能之间,并没有严重的折衷(trade-off)问题,这使得该种材料在上述两个条件都是“表现最佳”。赞助此研究案的单位包括美国空军科学研究所(ir Force Office of Scientific Research)以及美国国家科学基金会(NSF)。

文章来源:esmchina





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