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黑磷凭什么可以取代石墨烯?

来源:烯引力 发布日期:2016-11-29 14:57:04 查看次数:
【九正建材网】 纵观所有二维材料,虽然每种材料都能找出各自的应用场景,但是毫无疑问的是,黑磷是所有新型二维材料中,最有潜力的一个,为什么这么说呢?导体和绝缘体都是常见的物质,然而改变世界的却是半导体,黑磷在半导体上的潜力远超乎人们的想象。

纵观所有二维材料,虽然每种材料都能找出各自的应用场景,但是毫无疑问的是,黑磷是所有新型二维材料中,最有潜力的一个,为什么这么说呢?导体和绝缘体都是常见的物质,然而改变世界的却是半导体,黑磷在半导体上的潜力远超乎人们的想象。

要说黑磷这种材料是什么,还要从化学史上开始追溯,第一个发现磷元素的人是一个德国汉堡名叫波兰特的商人,他是一个相信炼金术的人,由于他曾听说在尿里可以制得「金属之王」黄金,于是抱着发财的目的,用尿做了大量的实验。1669 年,他在一次试验中,意外的得到了一种十分美丽的物质,它白色质软,能在黑暗中放出闪烁的亮光。这就是现在称为白磷的物质。

在科学家认识到磷这种元素之后,就陆陆续续发现了一些磷的同素异形体,这些同素异形体都由颜色命名,像红磷、黑磷、紫磷。他们都是由磷元素组成的,但是都有各自的结构和特点。

石墨烯发现之后,在研究人员观察到黑磷是由层状堆积的时候,他们就很自然的联想到了石墨与石墨烯,并尝试将单层黑磷剥离出来。研究者最开始采用的和石墨烯类似的机械剥离的办法,成功的得到了单层的黑磷。

块状的黑磷因其导电能力被称为「金属磷」。单层的黑磷被分离出来后,研究人员发现黑磷具有比石墨烯有更强的潜力,原因就在于黑磷中有能隙存在。

能隙在固态物理学中泛指半导体或者是绝缘体的价带顶端传递至的传导带低端的能量差距,这么说的话,大家可能不懂。简单来说的话,能隙就相当一个开光,开关打开,黑磷就是导体;开关关闭,黑磷就是绝缘体。那这个开关是由什么来控制的呢?能量。

能隙的存在,让黑磷成为了一种半导体材料。复旦大学的张远波课题组曾利用黑磷制备出了场效应晶体管,他们指出这个场效应晶体管有望替代传统的硅,成为电子线路的基本材料。

黑磷的能隙还可以通过黑磷层数进行微调,凯斯西储大学电气工程学院的助理教授冯·菲利普(Philip Feng)解释道,其能隙电压可以控制在 0.3-2.0 电子伏特范围内。这个范围几乎涵盖了目前发现所有二维材料的能隙电压,使得黑磷可以成为不同二维材料能隙的链接桥梁。

能隙除了具备以上功用,还能对材料的光电特性产生影响。科学家也对黑磷的光电能力做了研究,其能隙范围意味着它可以吸收 0.6 到 4.0 微米波长的电磁波,也就是从可见光到红外区间的光线都可以吸收。这个吸收光谱是黑磷在光相关的传感器中应用的关键。科学家制作了一个基于黑磷的光线探测器,这个光线探测器每秒能够转换 30 亿比特的光信号,实验结果十分惊人。

黑磷在光电方面也取得了其他进展,中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组与深圳大学教授张晗课题组合作,在黑磷量子点的制备及超快光子学应用领域获得了些研究成果。该课题组开发出了能够大规模制备黑磷量子点的方法,有望拓展了黑磷在光点领域的应用。

黑磷这种材料还具有各向异性。各向异性很容易理解,即材料在不同方向的性能是有差异的。这个特点最常见的应用就是液晶-就是大家熟知的液晶显示器中的材料。在二维材料的大家族中,各向异性是非常罕见的特点,更加彰显了黑磷的与众不同。最近研究者发现了黑磷的各向异性对机械振动性能的影响,利用这个特点可以设计出新式的电子元件和信号处理设备。

集上述特点于一身,黑磷理所当然地成为了研究者的新焦点,在几年的时间蓬勃发展。

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