黑磷材料优点多 比石墨烯更“梦幻”

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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。

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。”

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)。

2015.3.9 电子工程专辑/R. Colin Johnson

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关键词：石墨烯 Engineering engineerin University Molybdenum transition 明尼苏达 二硫化钼 探测器 科学家