1、黑磷簡(jiǎn)介

　　黑磷是常見(jiàn)的三種磷同素異形體（紅磷、白磷和黑磷）中，形態(tài)最為穩(wěn)定的一 員。黑磷有4種晶體結(jié)構(gòu)：正交、菱形、簡(jiǎn)單立方和無(wú)定形，常溫常壓下是正交晶型 結(jié)構(gòu)。跟石墨類似，黑磷也為片層結(jié)構(gòu)，但不同的是，同一層內(nèi)的磷原子不在同一 平面上，呈一種蜂窩狀的褶皺結(jié)構(gòu)。層內(nèi)具有較強(qiáng)的共價(jià)鍵，還留有單個(gè)的電子對(duì)， 因此每個(gè)原子都是飽和的，層與層之間原子靠范德華力作用。

黑磷的結(jié)構(gòu)

　　與石墨類似，黑磷的結(jié)構(gòu)使其可以制備二維黑磷晶體。二維材料的某些性質(zhì)是 塊體材料所沒(méi)有的，目前石墨烯、二維過(guò)渡金屬硫化物都是這個(gè)領(lǐng)域的先行者。單 層黑磷優(yōu)異于石墨烯和二維過(guò)渡金屬硫化物的性能主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體和光電性能， 石墨烯有極高載流子遷移率，但它的零帶隙效應(yīng)使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的邏輯開(kāi)關(guān)； 二維過(guò)渡金屬硫化物（如MoS2）具有不錯(cuò)的半導(dǎo)體性能，其制備的晶體管還有良好 的電信號(hào)調(diào)節(jié)性能，但它的載流子遷移率過(guò)低，限制了其在電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

二維材料半導(dǎo)體性能對(duì)比

　　塊狀黑磷的帶隙大小為0.3eV，單層黑磷擁有直接帶隙，大小為1.5eV，其帶隙 可通過(guò)層數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，層數(shù)越多，帶隙越小，且呈指數(shù)變化，可以吸收從可見(jiàn)光到 通訊用紅外線范圍波長(zhǎng)的光，這是黑磷最大的優(yōu)點(diǎn)。 盡管相比于化學(xué)性質(zhì)活潑的紅磷和白磷，黑磷在空氣中相對(duì)比較穩(wěn)定，但是半 導(dǎo)體及光電器件所用的二維材料黑磷卻不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在于空氣中，僅能保存數(shù)小時(shí)到數(shù)天即被氧化。目前已有研究使用鈍化封裝技術(shù)解決二維黑磷的穩(wěn)定性問(wèn)題。

　　二、黑磷的制備

　　黑磷將來(lái)能否實(shí)現(xiàn)在電子學(xué)和光子等領(lǐng)域應(yīng)用很大程度上取決于是否可以發(fā)展 出能夠可靠、大規(guī)模合成制備二維黑磷的方法。二維黑磷的制備分為兩部分，首先 是塊狀黑磷的制備，其次是二維黑磷的制備。

　　塊狀黑磷 的制備目前尚且能夠滿足科研上二維黑磷的需要，其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制備方法仍在研 究中。

塊狀黑磷的制備方法研究歷程

　　獲得高質(zhì)量的二維黑磷是最為關(guān)鍵的制備環(huán)節(jié)，研究的思路類比于結(jié)構(gòu)相似的 石墨烯制備，主要的研究集中于近兩年。所以二維黑磷的制備仍在研究初步階段， 產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日。目前制備二維黑磷的方法主要有三種：機(jī)械剝離法、液相剝離法、 脈沖激光沉積法，其中機(jī)械剝離法是最常用的方法。

二維黑磷的制備方法

　　三、應(yīng)用領(lǐng)域

　　2014年以來(lái)，黑磷由于其優(yōu)異的性能，開(kāi)始獲得廣泛關(guān)注，甚至被認(rèn)為是能與 石墨烯相媲美的二維原子材料。二維黑磷最特別的價(jià)值體現(xiàn)在它與其他二維材料材 料不同的三個(gè)方面。

　　（1） 光學(xué)性質(zhì)方面

　　薄層黑磷的帶隙大小可通過(guò)厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)（0.3~1.5eV），且其帶隙恰好是連接 石墨烯的零帶隙和過(guò)度金屬硫化物較寬帶隙（1.5~2.5eV）之間帶隙缺陷的橋梁。研 究顯示，薄層黑磷在1-5μm波段范圍內(nèi)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的光傳導(dǎo)效率，表明黑磷在近紅 外以及中紅外光電器件領(lǐng)域，如光探測(cè)器、調(diào)制解調(diào)器、發(fā)光二極管，有很大的應(yīng) 用潛力。 此外，當(dāng)單層或少層黑磷受到壓縮或者拉伸等應(yīng)變力時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯 著的改變。因此，單層的黑磷光響應(yīng)波段能夠包含較廣的范圍，并且能夠和電磁波 發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，能夠在醫(yī)藥、國(guó)防、通信、夜視、熱成像技術(shù)和近紅外、中 紅外以及可見(jiàn)光區(qū)的光通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

　　（2） 電學(xué)性質(zhì)方面

　　黑磷具有較高的遷移率/開(kāi)關(guān)比，使其能應(yīng)用到石墨烯力所不及的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 中。目前，第一代的高速黑磷晶體管受益于黑磷獨(dú)特的帶隙性質(zhì)帶來(lái)的良好電流飽 和性能，在電壓和功率增益上顯示出優(yōu)越的電子輻射頻率。未來(lái)預(yù)期在納米電子學(xué) 器件會(huì)有更大的應(yīng)用。

石墨烯、黑磷、過(guò)渡金屬硫化物的電磁波頻譜（A）和遷移率/開(kāi)關(guān)比（B）

　　（3） 平面內(nèi)各向異性

　　黑磷最獨(dú)特的性質(zhì)是平面內(nèi)很強(qiáng)的各向異性，其正交晶系的D2h點(diǎn)群中，沿著縱 向的鋸齒型的有效載流子是沿著橫向結(jié)構(gòu)的十倍。這一性質(zhì)使得黑磷用于設(shè)計(jì)新型 的電子學(xué)和光子學(xué)器件成為可能，新的研究方向已在探索中。 目前，研究者已經(jīng)開(kāi)始探索黑磷等離子器件外加光電子的獨(dú)特偏振性質(zhì)，以及 在熱電器件上的應(yīng)用。