1、黑磷簡介

　　黑磷是常見的三種磷同素異形體（紅磷、白磷和黑磷）中，形態最為穩定的一 員。黑磷有4種晶體結構：正交、菱形、簡單立方和無定形，常溫常壓下是正交晶型 結構。跟石墨類似，黑磷也為片層結構，但不同的是，同一層內的磷原子不在同一 平面上，呈一種蜂窩狀的褶皺結構。層內具有較強的共價鍵，還留有單個的電子對， 因此每個原子都是飽和的，層與層之間原子靠范德華力作用。

黑磷的結構

　　與石墨類似，黑磷的結構使其可以制備二維黑磷晶體。二維材料的某些性質是 塊體材料所沒有的，目前石墨烯、二維過渡金屬硫化物都是這個領域的先行者。單 層黑磷優異于石墨烯和二維過渡金屬硫化物的性能主要體現在半導體和光電性能， 石墨烯有極高載流子遷移率，但它的零帶隙效應使其無法實現半導體的邏輯開關； 二維過渡金屬硫化物（如MoS2）具有不錯的半導體性能，其制備的晶體管還有良好 的電信號調節性能，但它的載流子遷移率過低，限制了其在電子領域的應用。

二維材料半導體性能對比

　　塊狀黑磷的帶隙大小為0.3eV，單層黑磷擁有直接帶隙，大小為1.5eV，其帶隙 可通過層數進行調節，層數越多，帶隙越小，且呈指數變化，可以吸收從可見光到 通訊用紅外線范圍波長的光，這是黑磷最大的優點。 盡管相比于化學性質活潑的紅磷和白磷，黑磷在空氣中相對比較穩定，但是半 導體及光電器件所用的二維材料黑磷卻不能長時間穩定存在于空氣中，僅能保存數小時到數天即被氧化。目前已有研究使用鈍化封裝技術解決二維黑磷的穩定性問題。

　　二、黑磷的制備

　　黑磷將來能否實現在電子學和光子等領域應用很大程度上取決于是否可以發展 出能夠可靠、大規模合成制備二維黑磷的方法。二維黑磷的制備分為兩部分，首先 是塊狀黑磷的制備，其次是二維黑磷的制備。

　　塊狀黑磷 的制備目前尚且能夠滿足科研上二維黑磷的需要，其大規模產業化制備方法仍在研 究中。

塊狀黑磷的制備方法研究歷程

　　獲得高質量的二維黑磷是最為關鍵的制備環節，研究的思路類比于結構相似的 石墨烯制備，主要的研究集中于近兩年。所以二維黑磷的制備仍在研究初步階段， 產業化尚需時日。目前制備二維黑磷的方法主要有三種：機械剝離法、液相剝離法、 脈沖激光沉積法，其中機械剝離法是最常用的方法。

二維黑磷的制備方法

　　三、應用領域

　　2014年以來，黑磷由于其優異的性能，開始獲得廣泛關注，甚至被認為是能與 石墨烯相媲美的二維原子材料。二維黑磷最特別的價值體現在它與其他二維材料材 料不同的三個方面。

　　（1） 光學性質方面

　　薄層黑磷的帶隙大小可通過厚度進行調節（0.3~1.5eV），且其帶隙恰好是連接 石墨烯的零帶隙和過度金屬硫化物較寬帶隙（1.5~2.5eV）之間帶隙缺陷的橋梁。研 究顯示，薄層黑磷在1-5μm波段范圍內表現出了較強的光傳導效率，表明黑磷在近紅 外以及中紅外光電器件領域，如光探測器、調制解調器、發光二極管，有很大的應 用潛力。 此外，當單層或少層黑磷受到壓縮或者拉伸等應變力時，其能帶結構會發生顯 著的改變。因此，單層的黑磷光響應波段能夠包含較廣的范圍，并且能夠和電磁波 發生強烈的相互作用，能夠在醫藥、國防、通信、夜視、熱成像技術和近紅外、中 紅外以及可見光區的光通信等領域有重要應用。

　　（2） 電學性質方面

　　黑磷具有較高的遷移率/開關比，使其能應用到石墨烯力所不及的場效應晶體管 中。目前，第一代的高速黑磷晶體管受益于黑磷獨特的帶隙性質帶來的良好電流飽 和性能，在電壓和功率增益上顯示出優越的電子輻射頻率。未來預期在納米電子學 器件會有更大的應用。

石墨烯、黑磷、過渡金屬硫化物的電磁波頻譜（A）和遷移率/開關比（B）

　　（3） 平面內各向異性

　　黑磷最獨特的性質是平面內很強的各向異性，其正交晶系的D2h點群中，沿著縱 向的鋸齒型的有效載流子是沿著橫向結構的十倍。這一性質使得黑磷用于設計新型 的電子學和光子學器件成為可能，新的研究方向已在探索中。 目前，研究者已經開始探索黑磷等離子器件外加光電子的獨特偏振性質，以及 在熱電器件上的應用。