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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。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。
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宾夕法尼亚大学的研究人员在制造这种二硫化钼材料方面取得了重大进步。他们以氧化钼为“种子”,在其周围生长二硫化钼薄片。这种方法使得研究者能够更容易的控制二硫化钼的尺寸、厚度和分布位置。不像石墨烯,二硫化钼具有能带间隙,这就意味它的导电能力可以被开启和关闭。这样的一个特征是应用于计算半导体器件的关键。另一个区别是,二硫化钼能够发光,这意味着它可以被用于发光二极管,自报式传感器和光电子学器件。Penn团队的进步是改进了一种方法:通过“播种” 前驱体在基板上,用化学气相沉积法来控制二硫化钼小薄片的形成。&ldqu
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