国际半导体技术蓝图（ITRS）曾提出，2028年将是硅材料的末日，二维（2D）材料将接替硅材料成为新一代半导体材料。其中，最知名的就是石墨烯（graphene）；科学家们也正在研究其他2D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，是更具有研究价值的2D材料。
 

　　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教授表示：“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教授称，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）。

　　据悉，石墨烯虽是良好的半导体材料，但由于其导电性不易受控制，仍无法成为良好半导体材料。然而，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。黑磷的确是黑色的，却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，黑磷非常适合应用于光电领域，有望替代石墨烯，成为下一个新材料明星。

责任编辑：李玲珊

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