當(dāng)今在石墨烯產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之際，一種有望超越石墨烯的“夢(mèng)幻材料”被發(fā)現(xiàn)。這種材料稱之為黑磷，是一種二維單晶結(jié)構(gòu)材料，具有諸多優(yōu)異特性。目前，國(guó)際有關(guān)黑磷材料的研究已取得階段性成果，不久的將來(lái)有望進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。

一、黑磷結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

黑磷是磷的一種同素異形體，結(jié)構(gòu)上有塊狀和二維單晶結(jié)構(gòu)2種。目前正在研究的可與石墨烯媲美的“夢(mèng)幻材料”為二維單晶結(jié)構(gòu)黑磷。黑磷單層二維單晶稱為磷烯，

黑磷二維單晶片層由雙層原子組成，厚度為一個(gè)原子，具有天然帶隙，與硅有較好的相容性。黑磷的直接帶隙可隨層數(shù)調(diào)節(jié)，可在絕緣和導(dǎo)電2種狀態(tài)中轉(zhuǎn)換，加上黑磷電子遷移速度快，有望在光電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而且，黑磷的直接帶隙使其光學(xué)性能優(yōu)越，可以和光直接耦合，構(gòu)筑新一代光電器件。黑磷還具有獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)各向異性，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

黑磷的致命缺陷是缺乏穩(wěn)定性。當(dāng)接觸水和氧氣時(shí)，黑磷片層會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)氧化進(jìn)而降解。這一缺陷極大地限制了黑磷的研究和工業(yè)應(yīng)用。

二、黑磷制備

近兩年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在黑磷（主要指磷烯）結(jié)構(gòu)性能、制備與應(yīng)用方面己經(jīng)取得很多研究成果。在制備方面主要有機(jī)械剝離法、液相剝離法及化學(xué)合成法。機(jī)械剝離方法可對(duì)磷烯的厚度進(jìn)行控制但難以獲得特定尺寸的磷烯；液相剝離法則可獲得晶體結(jié)構(gòu)完整、沒(méi)有缺陷、一維尺寸可控的薄層磷烯；化學(xué)合成法則可制備出高純度、大尺寸磷烯，且制備周期短，這是以上兩種方法難以達(dá)到的。

三、黑磷應(yīng)用領(lǐng)域

黑磷作為一種新的二維材料，被視為能解決石墨烯性能上存在的一些問(wèn)題的材料。黑磷具有獨(dú)特的幾何及電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在晶體管、傳感器、太陽(yáng)能電池及光電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

1、場(chǎng)效應(yīng)晶體管

磷烯是一種帶隙值為2eV的直接帶隙半導(dǎo)體，且其帶隙的大小可通過(guò)改變?cè)訉訑?shù)來(lái)調(diào)節(jié)，磷烯具有高的載流子遷移率，為磷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。2014年，復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)利用少層磷烯實(shí)現(xiàn)了高速場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用嘗試，為研究黑磷的廣泛應(yīng)用拉開(kāi)了序幕。

近兩年，有研究人員研究了Si/SiO₂基體上的薄層磷烯晶體管的載流子遷移率，發(fā)現(xiàn)室溫下磷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的載流子遷移率達(dá)300平方厘米/(伏·秒)。研究人員又對(duì)薄層磷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能研究發(fā)現(xiàn)，晶體管的載流子遷移率與磷烯厚度有關(guān)，當(dāng)磷烯厚度小于10納米時(shí)載流子遷移率可達(dá)1000平方厘米/(伏·秒)。薄層磷烯是一種在電子器件領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力的二維材料。

2、光電子器件

由于黑磷是帶隙較窄的直接帶隙P型半導(dǎo)體，因此在光學(xué)和光電子領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。研究人員對(duì)磷烯的各向異性光學(xué)性能進(jìn)行第一性原理研究表明，磷烯能吸收包括紅外光和部分可見(jiàn)光沿扶手椅方向的偏正光，并透射沿鋸齒方向的偏正光，這使得該材料在線性偏振器方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。研究人員還通過(guò)采用原位表面摻雜技術(shù)研究K摻雜磷烯后其帶隙的變化，結(jié)果表明磷烯在制備光電子器件方面確實(shí)是一種很有前途的材料。

3、生物應(yīng)用

具有二維層狀結(jié)構(gòu)的超小黑磷量子點(diǎn)作為另一種形式的二維材料展現(xiàn)了獨(dú)特光學(xué)屬性，同時(shí)因?yàn)榱资巧矬w內(nèi)必須的元素，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。研究人員采用聯(lián)合探頭超聲和水浴超聲的液態(tài)剝離法制備了黑磷量子點(diǎn)，該超小黑磷量子點(diǎn)展示了優(yōu)異的近紅外光學(xué)性能和良好的生物相容性，并能顯著殺死腫瘤細(xì)胞，擁有作為高效光熱劑用于癌癥治療的巨大潛力。

4、光通信領(lǐng)域

2016年6月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)授予阿肯色大學(xué)物理學(xué)家46.7萬(wàn)美元基金，用于研究超薄材料黑磷在光通訊領(lǐng)域的潛力。該項(xiàng)目將針對(duì)黑磷激子（半導(dǎo)體吸收光后，電子就會(huì)朝著能量向上移動(dòng)，并留下一個(gè)空穴，電子和空穴結(jié)合，形成激子）進(jìn)行建模并觀察它的行為，從而實(shí)現(xiàn)在激子消失前對(duì)其操控的可能性。

四、黑磷研究進(jìn)展

黑磷是2014年由美國(guó)和中國(guó)的研究小組發(fā)現(xiàn)的一種新型夢(mèng)幻材料。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員在黑磷材料的理論基礎(chǔ)、制備工藝和應(yīng)用探索方面已取得階段性研究成果，為黑磷技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1、國(guó)外進(jìn)展

美國(guó)率先在黑磷研究與應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展工作，斯坦福大學(xué)、西北大學(xué)、普渡大學(xué)、內(nèi)布拉斯加大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員先后在黑磷結(jié)構(gòu)性能、制備和應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)于黑磷研究的成果

2、國(guó)內(nèi)進(jìn)展

我國(guó)在黑磷材料研究領(lǐng)域與國(guó)外同步開(kāi)始，中國(guó)科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和上海應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所等研究機(jī)構(gòu)的研究人員已在黑磷材料的研究、制備和應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)關(guān)于黑磷研究的成果

五、啟示

1、磷烯將成為用途廣泛的夢(mèng)幻材料

磷烯是磷的一種穩(wěn)定的同素異形體，擁有與石墨烯一樣的薄片狀結(jié)構(gòu)，石墨烯像金屬，但磷烯單晶天生就是半導(dǎo)體，它很容易被“打開(kāi)”和“關(guān)閉”。磷烯單晶擁有很高的電子流動(dòng)性，可用于制造高性能低成本電子設(shè)備。除此之外，磷烯單晶還擁有另外一個(gè)獨(dú)特屬性：其與光之間的相互作用根據(jù)原子層數(shù)量的不同而不同。黑磷單層晶體釋放紅光，而更厚的晶體則釋放紅外線。這種變化使科學(xué)家們能用其制造多種光電設(shè)備，例如激光器或者探測(cè)器。各國(guó)研究者對(duì)磷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光電子器件與稀磁半導(dǎo)體等領(lǐng)域進(jìn)行的研究表明，磷烯材料在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光電子器件、稀磁半導(dǎo)體、鋰離子電子負(fù)極材料、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有極大應(yīng)用潛力。

2、一旦解決性能上存在的問(wèn)題有望廣泛應(yīng)用

盡管二維磷烯單晶有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一個(gè)致命問(wèn)題，即當(dāng)磷烯單晶與周?chē)h(huán)境接觸時(shí)，很容易發(fā)生氧化降解，這一致命缺陷限制了其未來(lái)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題是如何控制磷烯半導(dǎo)體器件制備及使用過(guò)程中的氧化降解速率。高穩(wěn)定性黑磷的成功制備，無(wú)疑可有效推動(dòng)黑磷在光電器件等領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用，還將極大促進(jìn)其在能源、催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的深入研究。