武漢理工大學李能教授團隊 2DMaterials(IOP)綜述： 二維材料的新寵：黑磷的合成、性能及器件應用

【引語】

1914年，Bridgman通過白磷在高溫高壓下的轉化，首次發現了黑磷。這種褶皺狀結構的半導體材料，具有高達1000cm²V^-1s^-1的空穴遷移率，極為突出的各向異性，調控的能帶結構。隨著層數的增加，其能帶寬度逐漸變小，這樣人們便可以通過優化晶體層數來實現所期望的帶隙寬度，這一性能將在器件應用方面大放異彩。黑磷擁有非常獨特的褶皺狀結構，它憑借著高達1000cm²V^-1s^-1的空穴遷移率，良好的力學性能，可調控的能帶結構，各向異性的熱、電、光傳導性能等已經成為了二維材料的“新寵”。

圖1 綜述導覽圖

近日，武漢理工大學的李能教授和新加坡A*star實驗室的Wee-Jun Ong博士(共同通訊作者)在英國皇家物理學會(IOP)旗下的著名雜志2D Materials上在線發表了題為“The rising star of 2D black phosphorus beyond graphene: synthesis, properties and electronic applications”的綜述文章。該文的第一作者為武漢理工大學的研究生陳鵬飛。該文章系統地總結了黑磷以及二維磷稀的制備方法并著重討論了其在力學性能、熱傳導、載流子運輸、光學性質方面顯著的各向異性，并在此基礎之上分析了黑磷在應用領域的研究進展和目前出現的兩大瓶頸，并展望了二維磷稀材料未來的可能發展方向。

圖文導讀

【一】、黑磷晶體結構

在一般情況下，塊狀黑磷是與石墨相似的層狀結構。黑磷具有褶皺狀的結構，如同 “起皺”的石墨烯。黑磷的晶胞中有八個原子，每個P原子與最近鄰的三個P原子相連，鍵長為2.18?，鍵角為103^o 、103^o 和99^o 平均為102^o 。文中作者通過對比計算模擬的數據與實驗結果，談論了黑磷這一新型材料的詳細結構。

【二】、黑磷的合成方法

文章主要介紹了塊狀黑磷合成技術的發展歷程，重點討論了二維黑磷的合成方法并總結了對其結構中本征缺陷的最新研究。在1914年，Bridgman首次成功地通過白磷合成出黑磷并猜測黑磷可能是一種更為穩定的磷單質形式。在各種器件的應用當中，二維黑磷的質量至關重要。目前，磷稀的制備有溶液剝離法、超臨界二氧化碳輔助法、化學氣相沉積法、等離子體刻蝕等法。同時，點缺陷（如圖3）、線缺陷以及面缺陷的存在可能會改變黑磷的性能，對于這一點作者進行了具體的討論。

【三】、各向異性

本部分中，作者以黑磷的各向異性為線索，詳細地討論了其力學、熱傳導、載流子運輸和光探測性能。力學方面，文章討論了黑磷在受應力情況下不同方向展現出的形變，并通過圖3展現了黑磷在受力形變下的斷裂機制；熱傳導性能方面，作者總結了近年研究中的熱導系數研究并對其進行了歸納整理，對比分析；黑磷晶體的取向不僅可以通過高分辨電子顯微鏡觀測到，還可以通過載流子的各向異性運輸性能來確定（如圖4）。文章不僅總結了載流子運輸的重要，并用示意圖展示了通過使黑磷發生4-6%的單軸或雙軸應變，可以使電流的傳導方向轉變90°這一有趣現象。

【四】、器件應用

本章中，作者對近幾年這一新型二維材料的應用研究進行了詳細地總結，在此基礎上，文章提出了黑磷的穩定性是限制其發展的的最大制約因素并討論了其解決方法。目前，黑磷已經在晶體管、光電、氣體傳感與能源儲存領域展現出巨大的潛力。作者詳細地講解了黑磷晶體管的制作流程、相關性能以及其工作原理（如圖5、6）。黑磷通常為p型半導體，其不僅具有極高的空穴遷移率，更可以與其他n型半導體形成p-n結。

在這篇文章中，作者還詳細地描討論了光伏、光熱電、熱輻射三種光電流的產生機制（如圖7）。另外，文章結合實驗研究與理論計算，總結了黑磷在氣體傳感器及電池領域的研究進展（如圖8）。

【五】、總結與展望

2014年，二維黑磷的發現迅速掀起了全世界對其性能研究的浪潮。其除了具有集石墨烯與MoS₂的優點于一身的特點外，還具有隨層數變化的帶隙寬度，以及顯著的各向異性的特征。這種褶皺狀結構的磷單質在器件應用領域也迅速展現出巨大的優勢。這篇文章從基本結構、合成方法、各向異性與應用方面進行了詳細的討論，總結了近幾年的研究進展，并且指出由于黑磷厚度以及穩定性對器件性能有顯著影響，其晶體的厚度的調控、破壞機理還需進一步研究。作者相信，隨著人們對這種二維材料的更加深入的研究，其大有比肩甚至超越石墨烯的應用前景。

文章鏈接：The rising star of 2D black phosphorus beyond graphene: Synthesis, properties and electronic applications(2D Mater., ?2017, ?DOI:10.1088/2053-1583/aa8d37)

本文由武漢理工大學李能教授課題組供稿，材料牛整理編輯。材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

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