解密新材料黑磷：比石墨烯更“夢幻”？

　　二維(2D)材料被預(yù)期將在國際半導(dǎo)體技術(shù)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(xué)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)?，F(xiàn)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(shù)的發(fā)展，屆時各種芯片是以光而非電子來傳遞數(shù)字信號。率領(lǐng)該研究團隊的美國明尼蘇達大學(xué)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(zhuǎn)移到硅光子電路中，而且性能表現(xiàn)跟鍺(germanium)一樣好──這是光電探測器的黃金標(biāo)準(zhǔn)。”

　　磷在自然界是一種具備高度活性反應(yīng)的物質(zhì)──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(zhì)變得非常穩(wěn)定，還轉(zhuǎn)變成一種純晶體型態(tài)，能剝離到硅基板上。明尼蘇達大學(xué)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(xué)電路，據(jù)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(dǎo)(綠色部分)中的光;也可用石墨烯(灰色)調(diào)節(jié)其性能(來源：College of Science and Engineering，University of Minnesota)

　　黑磷超越石墨烯的最大優(yōu)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(shù)來做調(diào)節(jié)，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(dǎo)體，也能將電子信號轉(zhuǎn)成光;Li表示：“我們的短期目標(biāo)之一是制作黑磷電晶體，而長期目標(biāo)則是在硅晶片中實現(xiàn)黑磷雷射元件。”

　　研究人員將黑磷整合到硅波導(dǎo)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(chǎn)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(diào)節(jié)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(yán)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(xiàn)最佳”。贊助此研究案的單位包括美國空軍科學(xué)研究所(ir Force Office of Scientific Research)以及美國國家科學(xué)基金會(NSF)。