基本介紹
- 中文名：磷烯
- 中文別名：二維黑磷
- 外文名：Phosphorene
- 電子遷移率：1000cm2/(V s)
- 帶隙：直接帶隙
- 缺陷：空氣中易降解
製備方法,機械剝離法,液相剝離法,研究進展,套用用途,
製備方法
機械剝離法
機械剝離法是通過對層狀材料施加機械力從而將其薄層材料分離出來的方法，該法較為廣泛地套用於實驗室製備薄層材料，例如製備石墨烯和二硫化鉬。機械剝離法所需實驗條件較為簡單，但是這種方法耗時且產量低，製備出的晶體尺寸不易控制，無法可控地製備出長度合適的黑磷烯，難以用於工業生產，只適用於實驗室製備黑磷烯以滿足測試的需求。並且黑磷納米片在大氣環境下不能穩定存在，需要在無水無氧的條件下製備，否則會立即反應消失。
液相剝離法
液相剝離的原理是當化學溶劑的表面能與二維材料相匹配時，溶劑與二維材料之間的相互作用可以平衡剝離該材料所需的能量， 使得通過超聲就可把塊體材料剝離成片層材料。 採用這種方法已經成功製得了多層甚至單層的石墨烯和二硫化鉬等。液相剝離法製備原子層黑磷具有產量較高、設備要求低等優勢，同時有機試劑的存在可減緩其降解，但所得產品尺寸小且有機溶劑難以去除。
液相剝離也是製備黑磷量子點的一種手段，如喻學鋒研究員課題組與朱劍豪教授、張晗教授課題組合作，採用聯合探頭超聲和水浴超聲的液態剝離法，可控制備橫向尺寸約為2.6 nm的單原子層厚度超小黑磷量子點，展示了優異的近紅外光學性能。
研究進展
二維黑磷場效應電晶體2014年3月中國科學技術大學微尺度物質科學國家室實驗室陳仙輝教授課題組與復旦大學張遠波教授課題組合作，報導了一種具有幾納米厚的二維黑磷場效應電晶體，該研究成果線上發表在《Nature Nanotechnology》（Doi: 10.1038/nnano.2014.35）上。研究人員利用機械剝落法從塊狀單晶中剝出薄片到具有一層熱生長的二氧化矽的退化摻雜的矽晶片上，在此基礎上製備出場效應電晶體。當二維黑磷厚度小於7.5nm時，其漏電流調製幅度為105量級，I-V特徵曲線展現出良好的電流飽和效應。電晶體電荷載流子遷移率呈現出厚度依賴性，當二維黑磷厚度10nm時，最高遷移率值~1,000 cm2V-1s-1，表明二維黑磷場效應電晶體具有極高的套用潛力。
2014年7月，中國人民大學物理學系季威教授研究組在國際上首次使用理論計算對多層黑磷材料的幾何和電子結構進行了系統研究，發現了多層黑磷的奇特物性，獨立預測多層黑磷材料的直接帶隙半導體特性、層厚相關帶隙調控、高載流子遷移率和各向異性的力學和輸運性質，並與實驗相互印證；此外，研究還預言了該材料特殊的層間作用機制和光學線性二色性，後已被國內外多個實驗小組證實。研究成果以” High-mobility transport anisotropy and linear dichroism in few-layer black phosphorus”為題發表在《Nature Communications》上(DOI: 10.1038/ncomms5475)。
2015年4月華中科技大學物理學院吳夢昊及其合作者通過理論研究，指出了方形和五邊形可以和三配位磷原子的最優結構很好匹配，形態穩定，並推測方形或五邊形單元組成的同素異形體也可能出現在其它V族元素（比如砷）中；在此基礎上，研究者根據不同形態的雜化形式，還成功地預測出另外五種新結構，極大拓寬了磷烯單層同素異形體結構的多樣性和人們對磷烯族材料的認識。他們還發現ζ-P型磷烯擁有非易失性鐵彈性，在應力作用下不同形態間可相互轉化，這些特性使得這些新結構在應變工程中具有潛在的套用價值。相關研究成果發表於《Nano Letters》（DOI:10.1021/acs.nanolett.5b01041）.
2015年5月陳仙輝教授研究組與張遠波教授課題在首次製備出二維黑磷場效應電晶體的基礎上，通過提高黑磷晶體質量以及用薄層六方氮化硼（h-BN）作襯底，薄層黑磷場效應電晶體在低溫下電場誘導的空穴載流子和電子載流子的霍耳遷移率已分別達到2,000cm2V-1s-1和900cm2V-1s-1，而空穴的場效應遷移率在低溫下則高達3900cm2V-1s-1；遷移率顯著提升之後，強磁場下電阻的量子振盪現象首次在黑磷中被成功觀測到；理論計算則表明黑磷場效應管當中的導電通道局限在距離黑磷和襯底的界面2nm以內的狹窄量子阱當中，且絕大部分載流子的空間分布集中在距離界面兩個原子層之內。實驗與理論結果一致表明在薄層黑磷和h-BN襯底的界面附近存在由外加電場誘導產生的二維高遷移率電子氣，其最佳遷移率已經達到在電子學領域中可以套用的水平。這標誌著薄層黑磷已經成為又一種能夠用於製備高遷移率電子元件，並擁有廣泛套用前景的二維材料。
2015年9月中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員課題組與香港城市大學朱劍豪教授、深圳大學張晗教授合作，採用聯合探頭超聲和水浴超聲的液態剝離法，可控制備橫向尺寸約為2.6 nm的單原子層厚度超小黑磷量子點，並展示了優異的近紅外光學性能，在808 nm的消光係數為14.8 Lg-1cm-1，光熱轉換效率達到28.4%. 在近紅外雷射的照射下能夠顯著的殺死腫瘤細胞，並且在多種細胞系中均展現出良好的生物相容性，同時因磷是生物體內必須元素，使其在生物醫學領域的套用具有無可比擬的優勢，相關研究論文發表於《Angewandte Chemie-International Edition》（DOI: 10.1002/anie.201506154）.
2016年9月東南大學物理系王金蘭教授課題組在化學刊物《Angewandte Chemie-International Edition》（DOI: 10.1002/anie.201605168）上發表了關於磷烯降解的最新研究進展，基於原子尺度的理論計算，該成果首次從理論上給出了少數層黑磷在環境中發生降解的完整機制，即1）光照下，更具反應活性的超氧根陰離子（O2-）在黑磷表面的產生；2）O2-與表面磷原子的吸附與P=O鍵的形成；3）水分子作用下，黑磷表面P-P鍵的斷裂分解。並由此提出了利用完全氧化的黑磷來作為保護層的構想，即利用完全氧化的表面的P-O-P鍵來固定表面P原子，達到保護黑磷的目的。王金蘭教授課題組還與燕山大學實驗組合作，首次報導了通過摻雜碲減緩磷烯在環境中的降解從而大幅提高其穩定性的新思路，論文發表於材料類刊物《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.201603723）.
少數層黑磷在環境中發生降解機制
少數層黑磷在環境中發生降解機制2016年9月復旦大學張遠波教授課題組與美國加州大學伯克利分校王楓教授課題組、中國科學技術大學陳仙輝教授課題組等課題組合作完成的關於少層黑磷能帶結構演變的文章發表於《Nature Nanotechnology》（Doi:10.1038/nnano.2016.171.）。研究人員用光學手段研究了磷烯能帶結構隨層數的變化，首先通過測量磷烯的光學吸收譜首次確定了單層、雙層及三層黑磷的帶隙，發現與矽的帶隙和遠程通訊光子能量相匹配；其次發現其發光峰能量與吸收譜中的吸收邊能量高度重合，從實驗上首次證明了黑磷的直接帶隙特性，且其直接帶隙特徵不隨層數發生變化；最後在兩層及多層的黑磷中，吸收光譜中高於帶隙能量的位置發現了新的共振峰，從而揭示了黑磷能帶結構隨層數變化的過程，並由此得出了黑磷層間相互作用的強度信息。該項實驗結果揭示了磷烯隨層數可調的帶隙能量填補了其他二維材料的空白，覆蓋了重要的光譜波段，而磷烯的直接帶隙特性極大地提高了其光吸收效率，結合它本身的高載流子遷移率，使得黑磷在通訊及能源方面具有重要的潛在套用價值。
