Эти устройства показали значительное улучшение эффективности по сравнению с сопоставимыми устройствами, в которых использовался более ранний «чудо-материал» графен.
Работа профессоров кафедры электротехники и вычислительной техники Миннесотского университета Мо Ли и Стивена Кестера и аспирантов Натана Янгблада и Че Чена была опубликована в Nature Photonics — ведущем журнале в области оптики и фотоники.
Поскольку потребители требуют более быстрые и компактные электронные устройства, производители электроники втискивают больше процессорных ядер в один чип, но заставить все эти процессоры взаимодействовать друг с другом было ключевой задачей для исследователей. Цель состоит в том, чтобы найти материалы, которые позволят осуществлять высокоскоростную связь на кристалле с использованием света.
Хотя о существовании черного фосфора известно уже более века, только в прошлом году его потенциал как полупроводника был реализован. Благодаря своим уникальным свойствам черный фосфор может использоваться для очень эффективного обнаружения света, что делает его желательным для оптических применений.
Впервые команда Университета Миннесоты создала сложные оптические схемы из кремния, а затем положила на эти структуры тонкие чешуйки черного фосфора, используя оборудование Наноцентра Миннесоты.
«После открытия графена продолжают появляться новые двумерные материалы с новыми оптоэлектронными свойствами», — сказал профессор Ли, возглавлявший исследовательскую группу. «Поскольку эти материалы двумерны, имеет смысл разместить их на микросхемах с плоскими оптическими интегральными схемами, чтобы обеспечить максимальное взаимодействие со светом и оптимально использовать их новые свойства."
Команда Университета Миннесоты продемонстрировала, что по характеристикам фотодетекторы с черным фосфором даже не уступают сопоставимым устройствам из германия, что считается золотым стандартом в области фотодетектирования на кристалле. Однако германий трудно выращивать на кремниевых оптических схемах, в то время как черный фосфор и другие двумерные материалы можно выращивать отдельно и переносить на любой материал, что делает их гораздо более универсальными.
Команда также показала, что устройства можно использовать в реальных приложениях, отправляя высокоскоростные оптические данные по волокнам и восстанавливая их с помощью фотоприемников с черным фосфором. Группа продемонстрировала скорость передачи данных до трех миллиардов бит в секунду, что эквивалентно загрузке типичного HD-фильма примерно за 30 секунд.
«Несмотря на то, что мы уже продемонстрировали высокую скорость работы с нашими устройствами, мы ожидаем более высоких скоростей передачи за счет дальнейшей оптимизации», — сказал Натан Янгблад, ведущий автор исследования. «Поскольку мы первыми продемонстрировали высокоскоростной фотодетектор, использующий черный фосфор, еще предстоит проделать большую работу, чтобы определить теоретические пределы для полностью оптимизированного устройства."
Преодоление разрыва
В то время как черный фосфор имеет много общего с графеном — другим двумерным материалом — материалы имеют существенные различия, наиболее важным из которых является наличие запрещенной зоны, которую часто называют запрещенной зоной."
Материалы с запрещенной зоной, известные как «полупроводники», представляют собой особую группу материалов, которые проводят электричество только тогда, когда электроны в этом материале поглощают достаточно энергии, чтобы они «перепрыгнули» через запрещенную зону. Эту энергию можно получить с помощью тепла, света и других средств.
Хотя графен оказался полезным для самых разных приложений, его основным ограничением является отсутствие запрещенной зоны.
Это означает, что графен всегда проводит значительное количество электричества, и эта «утечка» делает графеновые устройства неэффективными. По сути, устройство "включено" и постоянно дает утечку электричества.
С другой стороны, черный фосфор имеет широко регулируемую ширину запрещенной зоны, которая варьируется в зависимости от того, сколько слоев уложено вместе. Это означает, что черный фосфор можно настроить на поглощение света в видимом диапазоне, но также и в инфракрасном. Эта большая степень настраиваемости делает черный фосфор уникальным материалом, который можно использовать для широкого спектра применений — от химического зондирования до оптической связи.
Кроме того, черный фосфор — это так называемый полупроводник с «прямой полосой», что означает, что он может эффективно преобразовывать электрические сигналы обратно в свет. В сочетании с его высокопроизводительными фотодетекционными способностями черный фосфор также может использоваться для генерации света в оптической цепи, что делает его универсальным решением для внутрикристальной оптической связи.
«Очень интересно думать об одном материале, который можно использовать для отправки и получения данных оптически и не ограничен конкретной подложкой или длиной волны», — сказал Янгблад. "Это может иметь огромный потенциал для высокоскоростной связи между ядрами ЦП, что в настоящее время является узким местом в компьютерной индустрии."
Быстрорастущий потенциал
За последние несколько лет произошло множество открытий двумерных материалов, сначала с графеном, а совсем недавно с дихалькогенидами переходных металлов (TMD), такими как дисульфид молибдена (MoS2), а теперь и с черным фосфором.
Все предыдущие двумерные материалы имеют серьезные компромиссы, но черный фосфор обеспечивает «лучшее из обоих миров» с настраиваемой шириной запрещенной зоны и высокой скоростью.
«Черный фосфор — чрезвычайно универсальный материал», — сказал профессор Стивен Кестер, внесший свой вклад в проект. «Он производит отличные транзисторы и фотодетекторы, имеет потенциал для излучения света и других новых устройств, что делает его идеальной платформой для нового типа адаптируемой электронной технологии."