替代矽超越石墨烯 黑磷將成下一個萬億市場?

替代矽超越石墨烯 黑磷將成下一個萬億市場?

科學家最近發現黑磷有望超越石墨烯,成為矽理想的替代材料。說起磷恐怕大家都不陌生,小時候常用的火柴,頭上的那一點點紅色的部分就是磷,然而就是這看似不起眼的火柴頭,正在悄然引領一場技術革命。最常見的是紅磷和白磷,黑磷其實也是磷的一種同素異形體。

自然我們不能拿火柴頭上的紅磷來使用,普通的磷需要通過特殊的製程作出單層或者少層二維材料,磷烯具有和石墨烯相似的結構,磷烯中的磷原子會形成SP3雜化。與石墨烯優異的導電性不同,磷烯是一種半導體材料,相比於其他二維材料如石墨烯、MoS2等,磷烯材料的各項參數雖然不是最優秀的,但是其各項指標都相對平衡,因此保證了磷烯材料具有良好的特性,並且磷烯具有可調節能帶間隙這一屬性,這就使得其具有更為廣闊的應用範圍,例如電晶體、儲能、超級電容、記憶元器件和太陽能發電等,因此磷烯吸引了廣泛的關注。

百餘年前,化學家就合成出了黑磷這種物質,合成後沒有了後文。由於石墨烯帶來的二維材料的熱潮,直到2013年才有人重新把興趣集中在黑磷上。在2014年上半年一系列的文獻中,有人通過剝離的方式得到了10到20個原子厚度的超薄黑磷薄膜,現在黑磷二維材料已經成為了晶片界的一個新寵。

理論已經證實,相對於石墨烯而言,黑磷有相反的導熱性和導電性的各向異性,換句話來說,當熱在某一個方向具有很好的傳導性的時候,電在這個方向上的傳導性很低,反之亦然。這種各向異性在設計高效的電晶體或者熱電子裝置時將會有很大幫助。

黑磷讓人興奮的地方在於其可以製備出超薄黑磷(也稱為磷烯),其非常類似二維材料石墨烯。但是與石墨烯最大不同在於,磷烯存在能隙,而石墨烯沒有。那能隙是什麼呢?在半導體中,由於能隙的存在,半導體只有吸收足夠的能量才會呈現出另一種狀態,即在半導體原件中可以表示0和1。如果沒有能隙存在,就很難表示數字電路中的邏輯狀態。

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黑磷的能隙還可以通過黑磷層數進行微調,凱斯西儲大學電氣工程學院的助理教授馮·菲利普(Philip Feng)解釋道。其能隙電壓可以控制在0.3-2.0伏特範圍內,這個覆蓋層數幾乎涵蓋了最近發現的所有二維材料的能隙電壓。而且它可以作為其他不同物質之間間隙的連接橋樑。

韓國成均館大學的科學家最近通過結合不同材料調整了黑磷的能隙電壓值,製作出的電晶體非常接近現在常見的矽晶片結構。

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能隙作用除了實現以上功能,還對材料的光電特性有影響。科學家也對黑磷的光電能力做了研究,美國明尼蘇達大學光子學專家李默(Mo Li,音譯)說:「光電特性包括光的吸收、發射和調製,半導體材料的光學性能主要依賴於能隙的大小。」黑磷的能隙範圍意味著它可以吸收0.6到4.0微米波長的光,如果換算成顏色,其覆蓋範圍在可見光到紅外線區間。這個光譜範圍是黑磷在光相關傳感器應用的關鍵。

李默的研究小組製作了一個基於黑磷的光線探測器,這個光線探測器每秒能夠轉換三十億bit的光信號。

不幸的是,黑磷難以製備,難以保存。目前只有一種製備方法,就是將紅磷在高溫高壓下形成黑磷,然後將黑磷剝離成可製備奈米材料的原子厚度的薄片。而更不幸的是,黑磷暴露在空氣中後,就會和空氣中的水蒸氣和氧氣反應,性能就會大打折扣。 「幸運的是,許多惰性材料都可以用來保護黑磷材料,延長黑磷設備在空氣中的使用時間。」李默說。

如果解決了這些問題,矽時代可能就要改名叫黑磷時代了。

出處:cnbeta.com

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