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黑磷可以取代石墨烯，憑什么？

時間：2016-11-30 18:42 來源：

縱觀所有二維材料，雖然每種材料都能找出各自的應用場景，但是毫無疑問的是，黑磷是所有新型二維材料中，最有潛力的一個，為什么這么說呢?導體和絕緣體都是常見的物質(zhì)，然而改變世界的卻是半導體，黑磷在半導體上的潛力遠超乎人們的想象。

要說黑磷這種材料是什么，還要從化學史上開始追溯，第一個發(fā)現(xiàn)磷元素的人是一個德國漢堡名叫波蘭特的商人，他是一個相信煉金術的人，由于他曾聽說在尿里可以制得「金屬之王」黃金，于是抱著發(fā)財?shù)哪康模媚蜃隽舜罅康膶嶒灐?669 年，他在一次試驗中，意外的得到了一種十分美麗的物質(zhì)，它白色質(zhì)軟，能在黑暗中放出閃爍的亮光。這就是現(xiàn)在稱為白磷的物質(zhì)。

在科學家認識到磷這種元素之后，就陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些磷的同素異形體，這些同素異形體都由顏色命名，像紅磷、黑磷、紫磷。他們都是由磷元素組成的，但是都有各自的結構和特點。

在石墨烯發(fā)現(xiàn)之后，在研究人員觀察到黑磷是由層狀堆積的時候，他們就很自然的聯(lián)想到了石墨與石墨烯，并嘗試將單層黑磷剝離出來。研究者最開始采用的和石墨烯類似的機械剝離的辦法，成功的得到了單層的黑磷。

塊狀的黑磷因其導電能力被稱為「金屬磷」。單層的黑磷被分離出來后，研究人員發(fā)現(xiàn)黑磷具有比石墨烯有更強的潛力，原因就在于黑磷中有能隙存在。

能隙在固態(tài)物理學中泛指半導體或者是絕緣體的價帶頂端傳遞至的傳導帶低端的能量差距，這么說的話，大家可能不懂。簡單來說的話，能隙就相當一個開光，開關打開，黑磷就是導體;開關關閉，黑磷就是絕緣體。那這個開關是由什么來控制的呢?能量。

能隙的存在，讓黑磷成為了一種半導體材料。復旦大學的張遠波課題組曾利用黑磷制備出了場效應晶體管，他們指出這個場效應晶體管有望替代傳統(tǒng)的硅，成為電子線路的基本材料。

黑磷的能隙還可以通過黑磷層數(shù)進行微調(diào)，凱斯西儲大學電氣工程學院的助理教授馮·菲利普(Philip Feng)解釋道，其能隙電壓可以控制在 0.3-2.0 電子伏特范圍內(nèi)。這個范圍幾乎涵蓋了目前發(fā)現(xiàn)所有二維材料的能隙電壓，使得黑磷可以成為不同二維材料能隙的鏈接橋梁。

能隙除了具備以上功用，還能對材料的光電特性產(chǎn)生影響。科學家也對黑磷的光電能力做了研究，其能隙范圍意味著它可以吸收 0.6 到 4.0 微米波長的電磁波，也就是從可見光到紅外區(qū)間的光線都可以吸收。這個吸收光譜是黑磷在光相關的傳感器中應用的關鍵。科學家制作了一個基于黑磷的光線探測器，這個光線探測器每秒能夠轉換 30 億比特的光信號，實驗結果十分驚人。

黑磷在光電方面也取得了其他進展，中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒課題組與深圳大學教授張晗課題組合作，在黑磷量子點的制備及超快光子學應用領域獲得了些研究成果。該課題組開發(fā)出了能夠大規(guī)模制備黑磷量子點的方法，有望拓展了黑磷在光點領域的應用。

黑磷這種材料還具有各向異性。各向異性很容易理解，即材料在不同方向的性能是有差異的。這個特點最常見的應用就是液晶-就是大家熟知的液晶顯示器中的材料。在二維材料的大家族中，各向異性是非常罕見的特點，更加彰顯了黑磷的與眾不同。最近研究者發(fā)現(xiàn)了黑磷的各向異性對機械振動性能的影響，利用這個特點可以設計出新式的電子元件和信號處理設備。

集上述特點于一身，黑磷理所當然地成為了研究者的新焦點，在幾年的時間蓬勃發(fā)展。