引领二维材料研究新潮的“磷烯”——黑磷

材料牛注：具有“磷烯”之称的黑磷，因其宽范围固有带隙的存在，已一跃成为二维材料界的新宠，面内各向异性更使其应用潜力锦上添花。未来，黑磷将走上规模化生产和性能全面表征的道路。

两年半前，于一百多年前被化学家们合成出来的名为黑磷的材料，一夕之间引发了科学家们的研究热潮。

一系列发表于2014年上半年的论文显示：研究人员已经能够将黑磷剥离成10-20个原子层厚的薄片。黑磷已然成为二维材料的新宠和晶片界的希望之星。

具有“磷烯”称号的黑磷，其令人兴奋之处主要在于黑磷有着一条固有带隙，而这正是黑磷的近亲-石墨烯先天缺乏的。带隙是一个不存在电子状态的能带，对于创建数字逻辑电子产品所需的“开/关”流动电子至关重要。

仅有带隙是不够的，真正使该材料具有吸引力的是黑磷的带隙质量。黑磷的直接带隙(0.3 ~ 2.0电子伏特(eV))涵盖了原本无法从其他所有二维层状材料获得的带隙。黑磷连接了石墨烯(零带隙)和过渡金属硫化物(TMDCs，1.5 ~ 1.5 eV) 之间的带隙范围。至关重要的是，黑磷带隙对应的光波波长在0.6到4.0微米之间，覆盖了可见光到红外区域。

“由于半导体材料的光电功能（包括光吸收、发射和调制）取决于带隙大小，因此黑磷非常有望用于一系列的光子应用程序。”明尼苏达大学的教授Mo Li在去年的电子邮件采访中如是说，他的研究已经被IEEE Spectrum杂志突出强调。“特别之处在于，窄带半导体可用于红外探测，而红外探测在光学传感、夜视镜和生物医学诊断中是一个非常重要的应用。

“黑磷的带隙不仅带给二维光电纳米器件红外功能，” 凯斯西储大学的助理教授，此领域的顶尖学者Philip Feng在一次电子邮件采访中解释道,“而且黑磷直接带隙的层数是高度可调的，这一点使设备能力大大提高。” 正如Jean Jacques Meneu--艾睿电子的应用营销经理所言，黑磷中掺杂的砷的比例可以改变其带隙。以这种方式改变黑磷的带隙，就有可能使材料对多种气体极为敏感。

Feng还指出，除了带隙，黑磷同时具有一种内在的、强大的平面内各向异性，这意味着它的性能具有方向依赖性。“这种面内各向异性是不容易在其他来源于层状材料的二维晶体中发现的,” Feng说。“这一点可以在设备的光、电、热以及机械性能方面得到证实，并且有潜力用于一系列新颖的应用中。”

目前，黑磷晶体是以赤磷为原料，在高压(1G帕斯卡)和高温 (1000摄氏度)条件下合成出来的，产物为尺寸为毫米级的小晶体。将其剥落成小鳞片，可用以制备黑磷纳米结构和纳米设备。

这种生产方法显然不能扩大至工业生产。理想情况下，若要使黑磷发挥其潜力，需要开发一种精密卷绕对位技术。在这种技术下，黑磷可以在基质上均匀生长或涂布。然而，即使已经设计出可以使黑磷规模化生产的技术，一旦着手生产，一系列让人头疼的问题便接踵而至。其中最主要的问题便是黑磷的化学不稳定性。

“当暴露在空气中时，由于和空气中的水蒸气和氧气反应，黑磷薄膜会在几小时内降解，” Li解释道。“幸运的是，许多惰性材料可以用作钝化剂在数周或更长时间内保护黑磷设备。”

在规模化生产成为首要考虑的问题之前，研究还不断发现黑磷的独特性质。迄今为止，在黑磷已经被表征过的性质中，大部分的研究一直专注于纳米电子和纳米光子应用领域。然而，研究者们如Feng一样，期待着黑磷的独特机械性能和机电耦合特性。

“我们相信黑磷具有很强的潜力可以开发出新奇的机械设备和传感器，特别是新的二维纳米电动机械系统(NEMS),” Feng说。“最近，我们已经展示了第一个高频黑磷NEMS谐振器。”

在最近有关NEMS谐振器的工作中，Feng和他的同事们发现，黑磷二维晶体独特的面内各向异性会在黑磷NEMS多模谐振器中引发全新的弹性和频率扩展能力。如此看来，关于黑磷性质的继续表征将发现黑磷的最佳应用。

原文链接：Black Phosphorus Has Renaissance in Two Dimensions

本文由材料人编辑部尉谷雨提供素材，侯倩编译，点我加入编辑部。