引領二維材料研究新潮的“磷烯”——黑磷

材料牛注：具有“磷烯”之稱的黑磷，因其寬范圍固有帶隙的存在，已一躍成為二維材料界的新寵，面內各向異性更使其應用潛力錦上添花。未來，黑磷將走上規模化生產和性能全面表征的道路。

兩年半前，于一百多年前被化學家們合成出來的名為黑磷的材料，一夕之間引發了科學家們的研究熱潮。

一系列發表于2014年上半年的論文顯示：研究人員已經能夠將黑磷剝離成10-20個原子層厚的薄片。黑磷已然成為二維材料的新寵和晶片界的希望之星。

具有“磷烯”稱號的黑磷，其令人興奮之處主要在于黑磷有著一條固有帶隙，而這正是黑磷的近親-石墨烯先天缺乏的。帶隙是一個不存在電子狀態的能帶，對于創建數字邏輯電子產品所需的“開/關”流動電子至關重要。

僅有帶隙是不夠的，真正使該材料具有吸引力的是黑磷的帶隙質量。黑磷的直接帶隙(0.3 ~ 2.0電子伏特(eV))涵蓋了原本無法從其他所有二維層狀材料獲得的帶隙。黑磷連接了石墨烯(零帶隙)和過渡金屬硫化物(TMDCs，1.5 ~ 1.5 eV) 之間的帶隙范圍。至關重要的是，黑磷帶隙對應的光波波長在0.6到4.0微米之間，覆蓋了可見光到紅外區域。

“由于半導體材料的光電功能（包括光吸收、發射和調制）取決于帶隙大小，因此黑磷非常有望用于一系列的光子應用程序。”明尼蘇達大學的教授Mo Li在去年的電子郵件采訪中如是說，他的研究已經被IEEE Spectrum雜志突出強調。“特別之處在于，窄帶半導體可用于紅外探測，而紅外探測在光學傳感、夜視鏡和生物醫學診斷中是一個非常重要的應用。

“黑磷的帶隙不僅帶給二維光電納米器件紅外功能，” 凱斯西儲大學的助理教授，此領域的頂尖學者Philip Feng在一次電子郵件采訪中解釋道,“而且黑磷直接帶隙的層數是高度可調的，這一點使設備能力大大提高。”?正如Jean Jacques Meneu--艾睿電子的應用營銷經理所言，黑磷中摻雜的砷的比例可以改變其帶隙。以這種方式改變黑磷的帶隙，就有可能使材料對多種氣體極為敏感。

Feng還指出，除了帶隙，黑磷同時具有一種內在的、強大的平面內各向異性，這意味著它的性能具有方向依賴性。“這種面內各向異性是不容易在其他來源于層狀材料的二維晶體中發現的,” Feng說。“這一點可以在設備的光、電、熱以及機械性能方面得到證實，并且有潛力用于一系列新穎的應用中。”

目前，黑磷晶體是以赤磷為原料，在高壓(1G帕斯卡)和高溫 (1000攝氏度)條件下合成出來的，產物為尺寸為毫米級的小晶體。將其剝落成小鱗片，可用以制備黑磷納米結構和納米設備。

這種生產方法顯然不能擴大至工業生產。理想情況下，若要使黑磷發揮其潛力，需要開發一種精密卷繞對位技術。在這種技術下，黑磷可以在基質上均勻生長或涂布。然而，即使已經設計出可以使黑磷規模化生產的技術，一旦著手生產，一系列讓人頭疼的問題便接踵而至。其中最主要的問題便是黑磷的化學不穩定性。

“當暴露在空氣中時，由于和空氣中的水蒸氣和氧氣反應，黑磷薄膜會在幾小時內降解，” Li解釋道。“幸運的是，許多惰性材料可以用作鈍化劑在數周或更長時間內保護黑磷設備。”

在規模化生產成為首要考慮的問題之前，研究還不斷發現黑磷的獨特性質。迄今為止，在黑磷已經被表征過的性質中，大部分的研究一直專注于納米電子和納米光子應用領域。然而，研究者們如Feng一樣，期待著黑磷的獨特機械性能和機電耦合特性。

“我們相信黑磷具有很強的潛力可以開發出新奇的機械設備和傳感器，特別是新的二維納米電動機械系統(NEMS),” Feng說。“最近，我們已經展示了第一個高頻黑磷NEMS諧振器。”

在最近有關NEMS諧振器的工作中，Feng和他的同事們發現，黑磷二維晶體獨特的面內各向異性會在黑磷NEMS多模諧振器中引發全新的彈性和頻率擴展能力。如此看來，關于黑磷性質的繼續表征將發現黑磷的最佳應用。

原文鏈接：Black Phosphorus Has Renaissance in Two Dimensions

本文由材料人編輯部尉谷雨提供素材，侯倩編譯，點我加入編輯部。