Фосфор — высокореактивный элемент, использующийся при изготовлении спичечных головок, трассирующих пуль и удобрений. Также он может быть превращён в стабильную кристаллическую форму, известную как чёрный фосфор. В ходе нового исследования учёные из университета Миннесоты использовали ультратонкую плёнку всего из 20 слоёв атомов чёрного фосфора для демонстрации высокоскоростной передачи данных на наноразмерных оптических схемах.

Изобретение оказалось значительно эффективнее других аналогичных устройств, даже тех, что были изготовлены с помощью «чудо-материала» графена. Научная статья профессоров Мо Ли (Mo Li) и Стивена Койстера (Steven Koester) и аспирантов Натана Янгблада (Nathan Youngblood) и Че Чена (Che Chen) с факультета Электротехники и вычислительной техники университета Миннесоты, описывающая исследование, была опубликована в издании Nature Photonics.

С каждым годом потребители требуют электронных устройств, которые будут быстродейственными, но при этом компактными, рассказывают эксперты в пресс-релизе. Производители электроники могут поместить на одном кристалле больше ядер процессора, однако заставить их коммуницировать друг с другом в таком случае становится уже сложнее.

Цель исследователей — найти материалы, которые позволят осуществить высокоскоростную коммуникацию на чипе с помощью света.

Существование чёрного фосфора известно уже более века. Однако полупроводниковый потенциал этого материала был реализован лишь в 2014 году. Благодаря своим уникальным свойствам, чёрный фосфор может эффективно использоваться для экспериментов в области оптики и фотоники. Так, команда из университета Миннесоты создала сложные оптические схемы на кремнии, а затем поместила над этими структурами тонкие хлопья чёрного фосфора.

«После открытия графена новые двумерные материалы продолжают появляться вместе с новыми оптоэлектронными устройствами, — говорит возглавивший исследовательскую группу профессор Ли. — А так как эти материалы двумерны, имеет смысл размещать их на чипах с плоскими оптическими интегральными схемам, чтобы добиться максимального взаимодействия со светом и оптимально использовать их новые свойства».

Команда из университета Миннесоты продемонстрировала, что производительность фотодетекторов из чёрного фосфора даже превышает производительность их аналогов из германия, считающихся золотым стандартом. Германий, однако, крайне сложно вырастить на кремниевых оптических схемах, в то время как чёрный фосфор и другие двумерные материалы могут быть выращены отдельно и перенесены на любой материал, что делает их гораздо более универсальными.

Исследователи также доказали, как эти устройства могут применяться на практике: они отправили высокоскоростные оптические данные по волокнам и восстановили их с помощью фотодетекторов из чёрного фосфора. Передача данных осуществилась с скоростью до трёх миллиардов бит в секунду. Для наглядности, при такой скорости HD-фильм можно загрузить полностью за 3 секунды.

«Несмотря на такую высокую скорость работы мы ожидаем достигнуть ещё больших скоростей благодаря последующей оптимизации, — рассказывает соавтор исследования Янгблад. — Нам предстоит ещё достаточно много работы, чтобы определить теоретические пределы для полностью оптимизированного устройства».

В то время как чёрный фосфор имеет много общего с другим двумерным материалом — графеном — у них также есть значительные различия, ключевым из которых является существование энергетической щели (так называемой «запрещённой зоны»).

Материалы с полупроводниковой шириной запрещённой зоны представляют собой особую группу проводников, у которых электроны поглощают энергию, достаточную для того, чтобы они могли преодолеть эту щель. Эта энергия может быть обеспечена за счёт тепла, света и других средств.

Однако графен, который оказался полезен для столь широкого круга применений, не имеет запрещённой зоны. Он всегда проводит значительное количество электроэнергии. А вот у чёрного фосфора запрещённая зона может определённым образом настраиваться в зависимости от того, сколько слоёв атомов используется. Так что чёрный фосфор может быть настроен таким образом, чтобы поглощать свет в видимой части спектра, а также и в инфракрасном диапазоне. Эта способность и делает чёрный фосфор тем уникальным материалом, который может быть использован для широкого диапазона приложений, от химического зондирования до оптической коммуникации.

Кроме того, чёрный фосфор может эффективно преобразовывать электрические сигналы обратно в свет. Он может быть использован для генерации света в оптической схеме, что делает его универсальным решением для построения оптической связи между ядрами процессора.