超硬材料網

       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)。