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具備超越石墨烯優勢的新材料——黑磷

2015-03-06
關鍵詞: 黑磷 石墨烯

    二維(2D)材料被預期將在國際半導體技術藍圖(ITRS)所指的2028年矽材料末日接棒,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)而且與矽不相容;與矽的相容性可望促進矽光子元件(silicon photonics)技術的發展,屆時各種晶片是以光而非電子來傳遞數位訊號。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)能被轉移到矽光子電路中,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,能剝離到矽基板上。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。

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    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;而且其能隙是可藉由在矽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,也能將電子訊號轉成光;Li表示:“我們的短期目標之一是制作黑磷電晶 體,而長期目標則是在矽晶片中實現黑磷雷射元件。”

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研究人員將黑磷整合到矽波導光干涉儀(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 聲稱,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)。


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