石墨烯黑磷能隙

黑磷，石墨烯的“升级版”

自2010年安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因石墨烯研究获诺贝尔奖以来，石墨烯这个二维材料即以其独特性质，...

自2010年安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因石墨烯研究获诺贝尔奖以来，石墨烯这个二维材料即以其独特性质，成为科学界和产业界关注的焦点。同时，它还引发了人们对其他二维材料的探索，黑磷正是其中最具潜力的一个。

黑磷，人们可能比较陌生，但说起磷，可能无人不晓。从农用化肥、人体中的必要组成，到化学课本里可以自燃的“鬼火”，都涉及到磷这种元素。化学中提到的磷其实是一种单质，它有多种同素异形体，具有多种形态。最早被发现的是白磷，后来人们陆续发现了红磷、紫磷以及黑磷。2013年，科学家发现了黑磷这种材料可以剥离出类似石墨烯的“磷烯”，这个二维材料的发现改变了科学界对黑磷的认识。

单层的黑磷不但具有媲美石墨烯的导电能力，而且还具有石墨烯不具备的特点——能隙。能隙是半导体材料独有的特点，有能隙的存在，半导体才能表示出“开/关”这两种不同的状态，显示器、处理器中的硅基半导体正因为具备这一特点才能得到广泛的应用。

“黑磷的能隙可以通过黑磷层数进行微调，”美国凯斯西储大学电气工程学院的助理教授菲利普·冯解释道，“其能隙电压可以控制在0.3到2.0电子伏特范围内，这个覆盖范围填补了其他二维材料能隙范围的空白，成为不同材料之间能隙的连接桥梁。”而韩国成均馆大学的科学家在最近的试验中，通过结合不同材料调整黑磷的能隙电压值制作出的晶体管，非常接近现在常见的硅芯片结构。

能隙作用除了实现以上功能，还对材料的光电特性产生影响。科学家也对黑磷的光电能力做了研究，其能隙范围意味着它可以吸收0.6到4.0微米波长的光，也就是从可见光到红外线区间的光线都可以吸收。这个光谱范围是黑磷在光相关传感器应用的关键。科学家制作了一个基于黑磷的光线探测器，这个光线探测器每秒能够转换30亿比特的光信号，实验效果十分惊人。

除了能隙，黑磷还具有平面各向异性，即同一个性质在不同方向上有较大差异，也就是说它的性能具有方向依赖性。这在二维材料中很少见。由于黑磷的各向异性这一特点在光、电、热、力各种方面都有所体现，因而它是非常有潜力的一种材料。

目前实验室中可用红磷经过高温高压制备出毫米大小的晶体，再用机械剥离的方法处理，就可以获得纳米级的黑磷，进而制成黑磷的纳米结构和器件。然而，以目前的技术和制造水平，尚不能达到工业生产的要求，所以距离黑磷批量生产尚需时日。此外，黑磷一旦暴露就会和空气中的水蒸气和氧气反应，性能会大打折扣。目前主要依靠惰性材料来保护黑磷材料，延长黑磷设备在空气中的使用时间。

目前广泛应用的硅从出现到实现大规模生产经过了十几年的时间，而至今作为二维材料的黑磷仅走过了两年多时间。未来黑磷的应用前景主要集中在电学和光电器件领域。随着研究的深入，黑磷的潜力有望被进一步激发。