黑磷,石墨烯的「升級版」

2021-02-08 中國經濟網

　　自2010年安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因石墨烯研究獲諾貝爾獎以來，石墨烯這個二維材料即以其獨特性質，成為科學界和產業界關注的焦點。同時，它還引發了人們對其他二維材料的探索，黑磷正是其中最具潛力的一個。

　　黑磷，人們可能比較陌生，但說起磷，可能無人不曉。從農用化肥、人體中的必要組成，到化學課本裡可以自燃的「鬼火」，都涉及到磷這種元素。化學中提到的磷其實是一種單質，它有多種同素異形體，具有多種形態。最早被發現的是白磷，後來人們陸續發現了紅磷、紫磷以及黑磷。2013年，科學家發現了黑磷這種材料可以剝離出類似石墨烯的「磷烯」，這個二維材料的發現改變了科學界對黑磷的認識。

　　單層的黑磷不但具有媲美石墨烯的導電能力，而且還具有石墨烯不具備的特點——能隙。能隙是半導體材料獨有的特點，有能隙的存在，半導體才能表示出「開/關」這兩種不同的狀態，顯示器、處理器中的矽基半導體正因為具備這一特點才能得到廣泛的應用。

　　「黑磷的能隙可以通過黑磷層數進行微調，」美國凱斯西儲大學電氣工程學院的助理教授菲利普·馮解釋道，「其能隙電壓可以控制在0.3到2.0電子伏特範圍內，這個覆蓋範圍填補了其他二維材料能隙範圍的空白，成為不同材料之間能隙的連接橋梁。」而韓國成均館大學的科學家在最近的試驗中，通過結合不同材料調整黑磷的能隙電壓值製作出的電晶體，非常接近現在常見的矽晶片結構。

　　能隙作用除了實現以上功能，還對材料的光電特性產生影響。科學家也對黑磷的光電能力做了研究，其能隙範圍意味著它可以吸收0.6到4.0微米波長的光，也就是從可見光到紅外線區間的光線都可以吸收。這個光譜範圍是黑磷在光相關傳感器應用的關鍵。科學家製作了一個基於黑磷的光線探測器，這個光線探測器每秒能夠轉換30億比特的光信號，實驗效果十分驚人。

　　除了能隙，黑磷還具有平面各向異性，即同一個性質在不同方向上有較大差異，也就是說它的性能具有方向依賴性。這在二維材料中很少見。由於黑磷的各向異性這一特點在光、電、熱、力各種方面都有所體現，因而它是非常有潛力的一種材料。

　　目前實驗室中可用紅磷經過高溫高壓製備出毫米大小的晶體，再用機械剝離的方法處理，就可以獲得納米級的黑磷，進而製成黑磷的納米結構和器件。然而，以目前的技術和製造水平，尚不能達到工業生產的要求，所以距離黑磷批量生產尚需時日。此外，黑磷一旦暴露就會和空氣中的水蒸氣和氧氣反應，性能會大打折扣。目前主要依靠惰性材料來保護黑磷材料，延長黑磷設備在空氣中的使用時間。

　　目前廣泛應用的矽從出現到實現大規模生產經過了十幾年的時間，而至今作為二維材料的黑磷僅走過了兩年多時間。未來黑磷的應用前景主要集中在電學和光電器件領域。隨著研究的深入，黑磷的潛力有望被進一步激發。

（責任編輯：鄧浩）

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