黑磷,元素符号P,是黑色有金属光泽的晶体,具有类似石墨的片状结构,层之间的键合比层内的键合弱,具有导电性。这类晶体的本质特征不仅晶体内有共价键,还有离域键和范德华力。

黑磷开始被业界重视起来,始于2014年。2014年3月初,在《自然•纳米技术》杂志上,复旦大学物理系张远波教授课题组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷,并成功制备了相应的场效应晶体管器件。二维黑磷单晶由位于两个位面的波浪形磷原子组成,业内认为,它将有可能替代传统的硅,成为电子线路的基本材料。这一系列推断,源于黑磷独特的特性。

1、直接带隙

与石墨烯类似,黑磷具有诸多优异特性,而黑磷超越石墨烯的最大特点是,黑磷拥有随着层数可变的直接带隙。其频间带隙(让电流通过该物质所需要的电伏)是可调谐的,也就是说,电子工程师可以通过简单的改变二维黑磷单晶的叠层来调整带隙,这一特性有利于根据具体要求设计出期望的带隙。

更重要的是它的半导体带隙是直接带隙,即电子导电能带(导带)底部和非导电能带(价带)顶部在同一位置,实现从非导到导电,电子只需要吸收能量(光能),这意味着黑磷和光可以直接耦合。这个特性让黑磷成为未来光电器件的重要备选材料之一。

2、电子转移速率

研究人员还发现,黑磷二维晶体有良好的电子迁移率(~1000cm2/Vs),可以料想,随着研究的深入和技术的进步,这一数值有望得到进一步提高。另外,黑磷还有非常高的漏电流调制率,在这方面,黑磷是石墨烯的10000倍,几乎可以比肩电子线路的传统材料“硅”了。

这些属性让二维黑磷单晶变身超级材料成为可能。从上述特性中可以看出,黑磷未来在光电领域最有前途,然而,黑磷的应用并不局限于光电领域,由于磷是生物体内必需的元素,因此,其在生物医学领域的应用具有无可比拟的优势。

但是,二维黑磷单晶在空气中不稳定。空气中的水蒸汽会和磷发生反应,把磷转化为磷酸并导致材料腐蚀,严重影响了材料的特性。故此,这一问题或许是阻挡黑磷投入产业化应用的一大难题,还需要研究人员设法解决。

黑磷,被称为可以比肩石墨烯的“梦幻材料”。黑磷的研究和应用才刚开始,目前,其非线性光学特性被国内外多家单位证实并应用于超快激光的产生中,未来,黑磷的特性还有待挖掘,还有极大的扩展空间。不过,所谓的“梦幻材料”也只是研究人员的推测,对于刚刚发现的材料的应用前景做任何推断都为时尚早,盲目乐观与固守成规都不可取,还需要进一步的研究佐证。

目前,黑磷的优异特性已经掀开了其应用前景的一角未来,我们期待随着研究的深入,黑磷能给我们带来更多的惊喜。