國際半導體技術藍圖（ITRS）曾提出，2028年將是硅材料的末日，二維（2D）材料將接替硅材料成為新一代半導體材料。其中，最知名的就是石墨烯（graphene）；科學家們也正在研究其他2D材料，包括過渡金屬硫化物（transition metal dichalcogenides，TMD），如二硫化鉬（molybdenum disulphide，MoS2）。現在又有一種新的2D材料──黑磷（black phosphorus）──被視為能解決石墨烯的一些問題，是更具有研究價值的2D材料。
 

　　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）技術的發展，屆時各種芯片是以光而非電子來傳遞數字信號。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──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，不但性質變得非常穩定，還轉變成一種純晶體型態，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）調節其性能（來源：College of Science and Engineering，University of Minnesota）

　　黑磷超越石墨烯的最大優點就在于擁有能隙，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來做調節，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教授表示：“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黑磷雷射元件。”
 

　　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生的光電流（來源：College of Science and Engineering，University of Minnesota）

　　Li教授稱，目前正被研究中的各種2D材料里，黑磷的可調節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）。

　　據悉，石墨烯雖是良好的半導體材料，但由于其導電性不易受控制，仍無法成為良好半導體材料。然而，磷作為元素周期表中第十五號元素，其化合物通常具有化學發光性質，或者通過化學反應產生大部分無熱光。黑磷的確是黑色的，卻不像它的同素異形體能發光，但它對光線的分散效果確實非常好，甚至優于石墨烯。正因為如此，黑磷非常適合應用于光電領域，有望替代石墨烯，成為下一個新材料明星。

責任編輯：李玲珊

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-82387968
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414