【硬科技第13弹】黑磷有望取代硅成新型半导体材料

 

据中科院消息,固体所物质计算科学研究室邹良剑研究员与中国科技大学陈仙辉教授研究团队以及香港大学沈顺清教授合作...

据中科院消息,固体所物质计算科学研究室邹良剑研究员与中国科技大学陈仙辉教授研究团队以及香港大学沈顺清教授合作,在静水压调控块体黑磷的电子结构研究方面取得重要进展,证明压力下黑磷可以从半导体转变成狄拉克半金属。有业内人士预计,黑磷有望借此技术向半导体材料迈出重要一步,取代石墨烯也并非没有可能。
黑磷的原子结构图,褶皱蜂窝结构。

图片来源:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

作为二维材料的典型代表,石墨烯的研发荣获了2010年诺贝尔物理学奖,并掀起了人们研究二维材料的热潮。然而,由于石墨稀本身没有带隙,限制了它在半导体工业和光学器件等领域的应用。2014年,与石墨烯一样拥有二维层状结构的黑磷,被视为新的超级材料,刚一出现就引起了全世界的广泛关注。

黑磷的光学性能同其它半导体相比也有巨大优势,它的半导体带隙是直接带隙,即导带底部和价带顶部在同一位置,这意味着黑磷可以和光直接耦合,构筑新一代光电器件。此外,黑磷还具有独特的力学、电学和热学的各向异性。尽管黑磷已在多个领域展现出巨大的应用潜力,它却存在着一个致命缺陷:缺乏稳定性。当接触水和氧气时,黑磷层片会在极短时间内氧化进而降解掉。这一缺陷极大地限制了黑磷的研究和工业应用。

业内人士指出,这种高稳定性黑磷的成功制备,无疑可有效推动黑磷在光电器件等领域的工业应用,还将极大促进其在能源、催化、生物医学等领域的深入研究。黑磷有望成为新的热门半导体材料,A股市场上从事磷化工的企业在生产黑磷上具备先发优势,有望从中受益。
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。

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(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)。

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本文综合自网络
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