|
磷烯具有优于石墨烯的光学特性 黑磷是磷的一种同素异形体，结构上有块状和二维单晶结构2种。二维单晶结构的黑磷具有诸多优异特性，最让人兴奋的地方在于其可以制备出超薄黑磷（也称为磷烯），其非常类似二维材料石墨烯。现在黑磷二维材料已经成为了晶片界的一个新宠，有望成为未来电子设备的新材料。 石墨烯是当今时代的“材料之王”，其“洪荒之力”可以应用到各个领域。但是在电子设备领域，石墨烯存在一个重大的缺陷——其本身没有能隙，不能与硅相容，这限制了它在半导体工业和光学器件等领域的应用。 黑磷作为一种新的二维材料，被视为能解决石墨烯性能上存在的一些问题的材料。形象化的来讲，石墨烯像金属，但磷烯单晶天生就是半导体，它很容易被“打开”和“关闭”。磷烯单晶拥有很高的电子流动性，可用于制造高性能低成本电子设备。目前研究成果可以看出，在电子光电领域，二维黑磷有着石墨烯无法比拟的优势。 黑磷二维单晶片层由双层原子组成，厚度为一个原子，具有天然带隙，与硅有较好的相容性。这可望促进硅光子元件技术的发展，届时各种芯片是以光而非电子来传递数字信号。 黑磷的半导体能隙是直接能隙，即导带底部和价带顶部在同一位置，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(例如光电传感器)的一个备选材料，可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。其能隙还可藉由在硅基板上堆栈的黑磷层数来进行调节，使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长。加上黑磷电子迁移速度快，有望在光电领域得到广泛应用。 磷烯近几年国内外研究状况 黑磷具有独特的几何及电子结构和优异的性能，在晶体管、传感器、太阳能电池及光电子器件等领域应用前景广阔。 通过下表，我们来看一下黑磷的国内外研究情况： 表1 国外研究机构关于黑磷研究的成果 表2 国内研究机构关于黑磷研究的成果 石墨烯和黑磷，本来是一对亲戚。按年分排的话，黑磷要比石墨烯小上十岁左右。然而，长江水浪打浪，后浪到底能不能把前浪拍在沙滩上，就需要时间去证明了。 就目前来看，黑磷的研究和应用才刚开始，虽然具有诸多优异的特性，但论应用开发还远远不及石墨烯，由上述表格可以看出，磷烯在近几年的研究进展十分迅速，过一段时间，二维黑磷将有可能撼动石墨烯“材料之王”的地位，甚至有望成为材料领域的革命性材料！这匹“黑马”是真的足够强悍！ 目前背景下磷烯发展面临的问题 黑磷作为一种新的二维材料，被视为能解决石墨烯性能上存在的一些问题的材料。但是其自身也有着很棘手的缺点: 黑磷目前只有一种制备方法，就是将红磷在高温高压下形成黑磷，然后将黑磷剥离成可制备纳米材料的原子厚度的薄片。二维黑磷跟其他二维材料一样, 可以通过机械剥离、液相剥离的方式获得. 目前工艺欠成熟, 不能高效、高质量地制备大面积、缺陷少的二维黑磷, 极大地阻碍了二维黑磷的研究及应用。这是未来发展需要攻克的一个难题。 当磷烯单晶与周围环境接触时，很容易发生氧化降解，这一致命缺陷限制了其未来在工业领域的应用，当前迫切需要解决的问题是如何控制磷烯半导体器件制备及使用过程中的氧化降解速率。 磷矿石具有不可再生的特点。磷矿资源成因年代久远，成矿条件极其复杂，因而磷矿的再生几乎不可能。磷矿资源一经开发利用，磷素随着各下游加工产品的消费领域分散到自然界中，不可再循环利用，许多国家已经将磷矿资源列为战略资源，这也成为二维黑磷发展的一个制约因素。 特性有待发掘，推断前景为时过早 二维黑磷还只是一个刚刚被发现的材料，现在对其前景作任何的推断都还太早，这个材料的很多特性还有待发掘。 磷烯作为新材料的黑马，随着越来越多的科学家以及科研机构的不断研究，技术水平将不断完善，目前各国研究表明，磷烯材料在场效应晶体管、光电子器件、稀磁半导体、锂离子电子负极材料、太阳能电池等领域有极大应用潜力。黑磷秉承其众多特殊属性，有望在新能源等领域获得广泛应用，尤其是在光电领域有望超越石墨烯，成为新材料领域另外一个熠熠生辉的“梦幻材料”。除此之外，磷烯在能源、催化、生物医学等领域也具有高额的研究价值！ |
|
|
