武汉理工大学李能教授团队 2DMaterials(IOP)综述： 二维材料的新宠：黑磷的合成、性能及器件应用

【引语】

1914年，Bridgman通过白磷在高温高压下的转化，首次发现了黑磷。这种褶皱状结构的半导体材料，具有高达1000cm²V^-1s^-1的空穴迁移率，极为突出的各向异性，调控的能带结构。随着层数的增加，其能带宽度逐渐变小，这样人们便可以通过优化晶体层数来实现所期望的带隙宽度，这一性能将在器件应用方面大放异彩。黑磷拥有非常独特的褶皱状结构，它凭借着高达1000cm²V^-1s^-1的空穴迁移率，良好的力学性能，可调控的能带结构，各向异性的热、电、光传导性能等已经成为了二维材料的“新宠”。

图1 综述导览图

近日，武汉理工大学的李能教授和新加坡A*star实验室的Wee-Jun Ong博士(共同通讯作者)在英国皇家物理学会(IOP)旗下的著名杂志2D Materials上在线发表了题为“The rising star of 2D black phosphorus beyond graphene: synthesis, properties and electronic applications”的综述文章。该文的第一作者为武汉理工大学的研究生陈鹏飞。该文章系统地总结了黑磷以及二维磷稀的制备方法并着重讨论了其在力学性能、热传导、载流子运输、光学性质方面显著的各向异性，并在此基础之上分析了黑磷在应用领域的研究进展和目前出现的两大瓶颈，并展望了二维磷稀材料未来的可能发展方向。

图文导读

【一】、黑磷晶体结构

在一般情况下，块状黑磷是与石墨相似的层状结构。黑磷具有褶皱状的结构，如同 “起皱”的石墨烯。黑磷的晶胞中有八个原子，每个P原子与最近邻的三个P原子相连，键长为2.18Å，键角为103^o 、103^o 和99^o 平均为102^o 。文中作者通过对比计算模拟的数据与实验结果，谈论了黑磷这一新型材料的详细结构。

【二】、黑磷的合成方法

文章主要介绍了块状黑磷合成技术的发展历程，重点讨论了二维黑磷的合成方法并总结了对其结构中本征缺陷的最新研究。在1914年，Bridgman首次成功地通过白磷合成出黑磷并猜测黑磷可能是一种更为稳定的磷单质形式。在各种器件的应用当中，二维黑磷的质量至关重要。目前，磷稀的制备有溶液剥离法、超临界二氧化碳辅助法、化学气相沉积法、等离子体刻蚀等法。同时，点缺陷（如图3）、线缺陷以及面缺陷的存在可能会改变黑磷的性能，对于这一点作者进行了具体的讨论。

【三】、各向异性

本部分中，作者以黑磷的各向异性为线索，详细地讨论了其力学、热传导、载流子运输和光探测性能。力学方面，文章讨论了黑磷在受应力情况下不同方向展现出的形变，并通过图3展现了黑磷在受力形变下的断裂机制；热传导性能方面，作者总结了近年研究中的热导系数研究并对其进行了归纳整理，对比分析；黑磷晶体的取向不仅可以通过高分辨电子显微镜观测到，还可以通过载流子的各向异性运输性能来确定（如图4）。文章不仅总结了载流子运输的重要，并用示意图展示了通过使黑磷发生4-6%的单轴或双轴应变，可以使电流的传导方向转变90°这一有趣现象。

【四】、器件应用

本章中，作者对近几年这一新型二维材料的应用研究进行了详细地总结，在此基础上，文章提出了黑磷的稳定性是限制其发展的的最大制约因素并讨论了其解决方法。目前，黑磷已经在晶体管、光电、气体传感与能源储存领域展现出巨大的潜力。作者详细地讲解了黑磷晶体管的制作流程、相关性能以及其工作原理（如图5、6）。黑磷通常为p型半导体，其不仅具有极高的空穴迁移率，更可以与其他n型半导体形成p-n结。

在这篇文章中，作者还详细地描讨论了光伏、光热电、热辐射三种光电流的产生机制（如图7）。另外，文章结合实验研究与理论计算，总结了黑磷在气体传感器及电池领域的研究进展（如图8）。

【五】、总结与展望

2014年，二维黑磷的发现迅速掀起了全世界对其性能研究的浪潮。其除了具有集石墨烯与MoS₂的优点于一身的特点外，还具有随层数变化的带隙宽度，以及显著的各向异性的特征。这种褶皱状结构的磷单质在器件应用领域也迅速展现出巨大的优势。这篇文章从基本结构、合成方法、各向异性与应用方面进行了详细的讨论，总结了近几年的研究进展，并且指出由于黑磷厚度以及稳定性对器件性能有显著影响，其晶体的厚度的调控、破坏机理还需进一步研究。作者相信，随着人们对这种二维材料的更加深入的研究，其大有比肩甚至超越石墨烯的应用前景。

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

本文由武汉理工大学李能教授课题组供稿，材料牛整理编辑。材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

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