替代硅超越石墨烯 黑磷将成下一个万亿市场?

科学家最近发现黑磷有望超越石墨烯,成为硅理想的替代材料。初中化学中学过的为数不多的物质之一就是磷,最常听到的是红磷和白磷,黑磷其实也是磷的一种同素异形体。百余年前,化学家就合成出了黑磷这种物质,合成后没有了后文。由于石墨烯带来的二维材料的热潮,直到2013年才有人重新把兴趣集中在黑磷上。在2014年上半年一系列的文献中,有人通过剥离的方式得到了10到20个原子厚度的超薄黑磷薄膜,现在黑磷二维材料已经成为了晶片界的一个新宠。

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黑磷让人兴奋的地方在于其可以制备出超薄黑磷(也称为磷烯),其非常类似二维材料石墨烯。但是与石墨烯最大不同在于,磷烯存在能隙,而石墨烯没有。那能隙是什么呢?在半导体中,由于能隙的存在,半导体只有吸收足够的能量才会呈现出另一种状态,即在半导体原件中可以表示0和1。如果没有能隙存在,就很难表示数字电路中的逻辑状态。

黑磷的能隙还可以通过黑磷层数进行微调,凯斯西储大学电气工程学院的助理教授冯·菲利普(Philip Feng)解释道。其能隙电压可以控制在0.3-2.0伏特范围内,这个覆盖成都几乎涵盖了最近发现的所有二维材料的能隙电压。而且它可以作为其他不同物质之间间隙的连接桥梁。

韩国成均馆大学的科学家最近通过结合不同材料调整了黑磷的能隙电压值,制作出的晶体管非常接近现在常见的硅芯片结构。

能隙作用除了实现以上功能,还对材料的光电特性有影响。科学家也对黑磷的光电能力做了研究,美国明尼苏达大学光子学专家李默(Mo Li,音译)说:「光电特性包括光的吸收、发射和调制,半导体材料的光学性能主要依赖于能隙的大小。」黑磷的能隙范围意味着它可以吸收0.6到4.0微米波长的光,如果换算成颜色,其覆盖范围在可见光到红外线区间。这个光谱范围是黑磷在光相关传感器应用的关键。

李默的研究小组制作了一个基于黑磷的光线探测器,这个光线探测器每秒能够转换三十亿比特的光信号。

不幸的是,黑磷难以制备,难以保存。目前只有一种制备方法,就是将红磷在高温高压下形成黑磷,然后将黑磷剥离成可制备纳米材料的原子厚度的薄片。而更不幸的是,黑磷暴露在空气中后,就会和空气中的水蒸气和氧气反应,性能就会大打折扣。「幸运的是,许多惰性材料都可以用来保护黑磷材料,延长黑磷设备在空气中的使用时间。」李默说。

如果解决了这些问题,硅时代可能就要改名叫黑磷时代了。

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