“夢幻材料”黑磷或可解決石墨烯存在的一些問題

[編者按]二維材料被預期將在國際半導體技術藍圖所指的2028年矽材料末日接棒，其中最知名的就是石墨烯；科學家們也正在研究其他“夢幻材料”，包括過渡金屬硫化物，如二硫化鉬。現在又有一種新的2D材料黑磷被視為能解決石墨烯的一些問題。

    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。
　　
　　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。
　　
　　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。”
　　
　　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。
　　
　　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）。