比肩石墨烯的“梦幻材料”——二维黑磷

比肩石墨烯的“梦幻材料”——二维黑磷

二维黑磷是近年来才开发的半导体新材料，近日中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组与深圳大学教授张晗课题组合作，在黑磷量子点的制备及超快光子学应用领域取得新进展。

相关研究表明，与其他二维晶体材料相比，二维黑磷单晶材料更加稳定，在纳米电子器件应用方面具有很大潜力，被视自石墨烯之后新的超级材料。

石墨烯的“亲戚”：黑磷

石墨烯作为一种奇迹材料，被誉为电子产品的未来。但现在它的一个“亲戚”——黑磷，具备低成本的制造工艺，有望替代石墨烯，成为下一个新材料金矿。

磷作为元素周期表中第十五号元素，其化合物通常具有化学发光性质，或者通过化学反应产生大部分无热光。

黑磷，一直很难制备但在纳米电子学领域具有应用前景，这与二维（单原子厚）神奇材料——石墨烯非常类似。同石墨烯一样，黑磷在制备过程中也存在难以克服的困难，它有多层结构，为了得到所期望的二维片层，这些多层需要通过剥离工艺一层层分离开。

迄今二维材料的奇异世界一直被石墨烯统治着，当石墨烯降低到一定厚度时，其导电性会达到一个极端的程度，强于凯夫拉（誉为地球上最强的材料），有望作为过滤器排从空气中吸收氢燃料。

黑磷有带隙，而石墨烯是所谓的零隙半导体。黑磷，作为可调半导体，在电子设备中或许有更多的应用：晶体管、传感器、太阳能电池、开关、电池电极等。其中一些应用已经被测试，效果非常好。同石墨烯一样，黑色的磷也不容易大量生产。

黑磷是磷的同素异形体中最稳定的一种，具有类似石墨的片状结构，单原子层厚度的黑磷又称为黑磷烯。元素周期表第15位，元素符号P。黑色有金属光泽的晶体，它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。

白磷是一种白色蜡状固体，遇光会逐渐变黄，所以又叫黄磷。也就是说，黄磷产品只要用适当的技术手段就能转化成黑磷，这可比获取石墨烯的成本和难度要低得多。黑磷有望成为新的热门半导体材料。

新型二维半导体：黑磷

与石墨烯类似，黑磷具有诸多优异特性，故被称为比肩石墨烯的“梦幻材料”。黑磷的应用不局限于光电领域，其在生物医学领域也具有优势如肿瘤治疗。

其具有如下良好性能：

1.半导体性质，如有良好的电子迁移率，还有非常高的漏电流调制率（是石墨烯的10000倍）。

2.光学性能：其半导体带隙是直接带隙,即电子导电能带（导带）底部和非导电能带（价带）顶部在同一位置，实现从非导到导电，电子只需要吸收能量（光能），而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙，不仅需要能量(能带变化)，还要改变动量（位置变化）。这意味着黑磷和光可以直接耦合，这个特性让黑磷成为未来光电器件（例如光电传感器）的一个备选材料。可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。

不过黑磷的研究和应用才刚开始，其非线性光学特性被国内外多家单位证实并应用于超快激光的产生中。可以预见不久的将来，它将成为“第二个石墨烯”。

近期研究进展

2014年，一种类石墨烯的新型二维材料“黑磷”被发现，由于它拥有可控调节的能隙，可将电子信号转成光信号，具备一些石墨烯所不具备的特性，故被视为一种新的超级材料，引起了世界轰动。

去年12月份由深圳大学——新加坡国立大学光电协同创新中心教授张晗带领的深圳市孔雀创新团队首次研发了基于黑磷的光纤锁模激光器，得到了超短脉冲激光的输出信号。

今年3月，中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋、王怀雨研发团队在二维材料领域取得新突破，制备出高稳定性黑磷。黑磷有望借此技术向半导体材料迈出重要一步，取代石墨烯也并非没有可能。

今年6月，深圳先进院在二维材料领域取得新突破，固体所物质计算科学研究室邹良剑研究员与中国科技大学陈仙辉教授研究团队以及香港大学沈顺清教授合作，在静水压调控块体黑磷的电子结构研究方面取得重要进展，证明压力下黑磷可以从半导体转变成狄拉克半金属。

近日中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组与深圳大学教授张晗课题组合作，在黑磷量子点的制备及超快光子学应用领域取得新进展。他们采用溶剂热方法成功制备了一种超小黑磷量子点，并首次揭示了黑磷量子点材料的非线性光学特性，将其成功应用于超快激光技术中。

黑色磷的确是黑色的，不像它的同素异形体能发光，但它对光线的分散效果确实非常好，甚至优于石墨烯。正因为如此，它非常适合应用于光电领域。全新的明星材料，正在绽放光芒。

据了解，2014年，中科大微尺度物质科学国家实验室陈仙辉教授课题组与复旦大学张远波等教授课题组合作，成功制备出具有几个纳米厚度的二维黑磷场效应晶体管。

2016年3月，中科院发布消息称，深圳先进院在二维材料领域取得新突破，制备出了高稳定性黑磷。黑磷有望借此技术向半导体材料迈出重要一步。