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新型材料黑磷將代替石墨烯?

鉅大LARGE  |  點擊量:2387次  |  2018年11月19日  

石墨烯作為一種奇跡材料,被譽(yù)為電子產(chǎn)品的未來。但現(xiàn)在它的一個“親戚”——黑磷,具備低成本的制造工藝,有望替代石墨烯,成為下一個新材料金礦。

磷作為元素周期表中第十五號元素,其化合物通常具有化學(xué)發(fā)光性質(zhì),或者通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大部分無熱光。

黑磷,一直很難制備但在納米電子學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景,這與二維(單原子厚)神奇材料——石墨烯非常類似。同石墨烯一樣,黑磷在制備過程中也存在難以克服的困難,它有多層結(jié)構(gòu),為了得到所期望的二維片層,這些多層需要通過剝離工藝一層層分離開。

據(jù)國外媒體報道,都柏林三一學(xué)院的材料學(xué)家最近成功解決了這個問題。他們發(fā)現(xiàn),通過將黑磷浸沒在溶液中,然后用聲波轟炸它,而不是通過層層剝離,可以達(dá)到同樣的效果,并且整個過程更容易、更便宜。結(jié)果:層狀結(jié)構(gòu)松動分離,得到只有幾個原子厚的黑磷片層。

二維(2D)材料被預(yù)期將在國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)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(transitionmetaldichalcogenides,TMD),如二硫化鉬(molybdenumdisulphide,MoS2)?,F(xiàn)在又有一種新的2D材料──黑磷(blackphosphorus)──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(jìn)硅光子元件(siliconphotonics)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(tuán)隊的美國明尼蘇達(dá)大學(xué)教授MoLi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(dá)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(dá)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

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(jìn)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(xì)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:CollegeofScienceandEngineering,UniversityofMinnesota)

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(yùn)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(irForceOfficeofScientificResearch)以及美國國家科學(xué)基金會(NSF)。

研究人員表示,雖然黑磷納米片已經(jīng)通過液體剝離量產(chǎn),此法仍然存在問題,主要是因為黑磷納米片不穩(wěn)定,會與水或氧氣反應(yīng)。必須通過有效途徑,液體環(huán)境穩(wěn)定剝離納米片,防止氧化。N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮經(jīng)實驗證實,就是研究人員要找的溶液,N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮已在電子制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

黑色磷的確是黑色的,不像它的同素異形體能發(fā)光,但它對光線的分散效果確實非常好,甚至優(yōu)于石墨烯。正因為如此,它非常適合應(yīng)用于光電領(lǐng)域。全新的明星材料,正在綻放光芒。

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