解密新材料黑磷：比石墨烯更“梦幻”？

   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──黒磷(black phosphorus)──被视为能解决石墨烯的一些问题。日前相当被看好的半导体材料石墨烯(graphene)，由于其导电性不易受控制，仍无法成为良好半导体材料。不过，科学家日前发现另一种黑磷(black phosphorus或phosphorene)趁势兴起，相当有成为最新半导体材料的潜力。

    黒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黒磷光电探测器(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。而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。
    巨纳集团在研究黒磷等二维材料的应用的同时，与荷兰HQGraphene等全球领先企业达成全面合作，独家为全球的客户带来高质量二维晶体材料，如黑磷(BP/black phosphorus)、二硫化钼(MoS2)，二硫化钨(WS2)、二硫化钛(TiS2)、二硒化钼(MoSe2)、碲化锑(Sb2Te3)、碲化铋(Bi2Te3)等一系列材料。