新型材料黑磷将代替石墨烯?

时间:2015-03-10 11:06来源:光粒网作者:yeyan 点击:
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摘要:石墨烯作为一种奇迹材料,被誉为电子产品的未来。但现在它的一个“亲戚”——黑磷,具备低成本的制造工艺,有望替代石墨烯,成为下一个新材料金矿。

关键字:黑磷,石墨烯,半导体

  石墨烯作为一种奇迹材料,被誉为电子产品的未来。但现在它的一个“亲戚”——黑磷,具备低成本的制造工艺,有望替代石墨烯,成为下一个新材料金矿。

 

新型材料黑磷将代替石墨烯?

 

  磷作为元素周期表中第十五号元素,其化合物通常具有化学发光性质,或者通过化学反应产生大部分无热光。

 

新型材料黑磷将代替石墨烯?

  黑磷

 

  黑磷,一直很难制备但在纳米电子学领域具有应用前景,这与二维(单原子厚)神奇材料——石墨烯非常类似。同石墨烯一样,黑磷在制备过程中也存在难以克服的困难,它有多层结构,为了得到所期望的二维片层,这些多层需要通过剥离工艺一层层分离开。

 

  据国外媒体报道,都柏林三一学院的材料学家最近成功解决了这个问题。他们发现,通过将黑磷浸没在溶液中,然后用声波轰炸它,而不是通过层层剥离,可以达到同样的效果,并且整个过程更容易、更便宜。结果:层状结构松动分离,得到只有几个原子厚的黑磷片层。

 

  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。

 

新型材料黑磷将代替石墨烯?
 

  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

 

  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。”

 

新型材料黑磷将代替石墨烯?
 

  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(来源:College of Science and Engineering,University of Minnesota)

 

  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(NSF)。

 

  研究人员表示,虽然黑磷纳米片已经通过液体剥离量产,此法仍然存在问题,主要是因为黑磷纳米片不稳定,会与水或氧气反应。必须通过有效途径,液体环境稳定剥离纳米片,防止氧化。N-环己基-2-吡咯烷酮经实验证实,就是研究人员要找的溶液,N-环己基-2-吡咯烷酮已在电子制造领域广泛应用。

 

  黑色磷的确是黑色的,不像它的同素异形体能发光,但它对光线的分散效果确实非常好,甚至优于石墨烯。正因为如此,它非常适合应用于光电领域。全新的明星材料,正在绽放光芒。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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