探秘超高速理想导电材料，或将超越石墨烯性能

  　　国际半导体技术蓝图（ITRS）持续寻找硅替代材料的行动备受全球瞩目，业界期望能找到一种能以2D实现超高速的理想导电材料。石墨烯及其衍生版本碳纳米管（CNT）一直是最被看好的热门技术，但黑磷在光子学应用上也已经展现优于石墨烯的性能。最近，加拿大麦基尔大学（McGill University）与蒙特利尔大学（Universite de Montreal）的研究人员们宣称，2D单层的黑磷——磷烯（phosphorene），能够展现优于石墨烯以及硅的纯粹电路电子特性。2D导电材料的优点在于能在室温下实现趋近超导速度，加上极其适用于延伸ITRS开发蓝图——未来将需要原子级单层延续摩尔定律（Moore‘s Law）进展。遗憾的是，任何材料的原子单层都十分易碎，因而必须找到能够沈积多层而且是2D形式的导电材料。

　　

　　图中的黑磷模型说明其原子单层的可折迭蜂巢式内部结构

　　“我们的研究显示可以诱导电子在多个2D形式的黑磷原子层中移动，”麦基尔大学教授Thomas Szkopek解释，“就纯科学的理由来看，我们仍然不知道电子如何在有限的2D中移动的细节；而在技术方面，这是因为电子组件在电子受限于2D时所展现的功能更好。”在室温下，磷烯的电子迁移率已经被测定可达到硅的2倍，而在冷却时（3900cm2/Vs）更高达将近3倍，预计在针对相容基板与电极优化后，还可达到更高的电子迁移率。
　　其缺点是黑磷单层一直表现得不够稳定，除非能够隔离于正常大气环境的保护之中。不过，麦基尔大学的研究人员们认为这并不算是太严重的问题，因为他们已经发现2D电子在黑磷中移动时甚至可穿透多层导电材料。石墨烯（Graphene）是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理 学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由， 共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　“大家都知道黑磷的稳定度不足，除非采取隔离于环境的预防保护措施。再者，黑磷单层越薄，就越不稳定。”Szkopek指出，“但根据我们的观察，其实并不需要在黑磷单原子层看到2D的电子运动，这对于未来的黑磷组件开发具有重要的实质意义。”为了证明这个观点，研究人员们将黑磷制造成量子阱场效应晶体管（FET）裸晶，它能够以超过100，000的电流定值轻松地导通与断开。即使这种材料采用多层制造，研究人员们也能利用磁致传输测量展现2D载体。此外，研究人员们还预测这种磷烯FET能够以极低电压作业，实现低功耗作业。

　　

　　麦基尔大学与蒙特利尔大学的研究人员们携手打造出量子阱场效晶体管裸晶

　　未来，研究人员将以最佳的磷烯层数与最佳介电质进行实验，期望能制造出磷烯FET与最佳金属触点。除了优化，研究人员们并计划研究如何在晶圆厂中大规模制造这种材料的方法。麦基尔大学教授Guillaume Gervais、蒙特利尔大学教授Richard Martel也参与了这项研究。该研究中的磁场实验是在佛罗里达州的国家高磁场实验室进行；该实验室由美国国家科学基金会（NSF）、佛罗里达州以及美国能源部（DoE）共同赞助支持。石墨烯感光元件，一群来自新加坡专精于石墨烯材质研究的科学家们，现在研发出将石墨烯应用于相机感光元件的最新技术，可望彻底颠覆未来的数位感光元件技术发展。