新型材料黑磷将代替石墨烯?

石墨烯作为一种奇迹材料，被誉为电子产品的未来。但现在它的一个“亲戚”——黑磷，具备低成本的制造工艺，有望替代石墨烯，成为下一个新材料金矿。

磷作为元素周期表中第十五号元素，其化合物通常具有化学发光性质，或者通过化学反应产生大部分无热光。

黑磷，一直很难制备但在纳米电子学领域具有应用前景，这与二维(单原子厚)神奇材料——石墨烯非常类似。同石墨烯一样，黑磷在制备过程中也存在难以克服的困难，它有多层结构，为了得到所期望的二维片层，这些多层需要通过剥离工艺一层层分离开。

据国外媒体报道，都柏林三一学院的材料学家最近成功解决了这个问题。他们发现，通过将黑磷浸没在溶液中，然后用声波轰炸它，而不是通过层层剥离，可以达到同样的效果，并且整个过程更容易、更便宜。结果：层状结构松动分离，得到只有几个原子厚的黑磷片层。

二维(2D)材料被预期将在国际半导体技术蓝图(ITRS)所指的2028年硅材料末日接棒，其中最知名的就是石墨烯(graphene);科学家们也正在研究其他“梦幻材料”，包括过渡金属硫化物(transitionmetaldichalcogenides，TMD)，如二硫化钼(molybdenumdisulphide，MoS2)。现在又有一种新的2D材料──黑磷(blackphosphorus)──被视为能解决石墨烯的一些问题。

黑磷没有石墨烯的缺点──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且与硅不相容;与硅的相容性可望促进硅光子元件(siliconphotonics)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。率领该研究团队的美国明尼苏达大学教授MoLi表示：“我们首度证实了晶体黑磷光电探测器(photodetector)能被转移到硅光子电路中，而且性能表现跟锗(germanium)一样好──这是光电探测器的黄金标准。”

磷在自然界是一种具备高度活性反应的物质──这也是为何它们被用来制造火柴──不过将磷在烤箱中以精确的温度烘烤后，它的颜色会变黑，不但性质变得非常稳定，还转变成一种纯晶体型态，能剥离到硅基板上。明尼苏达大学的研究人员使用20个单层(monolayer)的黑磷打造第一款元件证实其光学电路，据说可达到3Gbps的通讯速度。

高性能光电探测器仅使用几层黑磷(红色部分)，就能感测波导(绿色部分)中的光;也可用石墨烯(灰色)调节其性能

黑磷超越石墨烯的最大优点就在于拥有能隙，使其更容易进行光探测;而且其能隙是可通过在硅基板上堆叠的黑磷层数来做调节，使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长。此外因为黑磷是一种直接能隙(direct-band)半导体，也能将电子信号转成光;Li表示：“我们的短期目标之一是制作黑磷电晶体，而长期目标则是在硅晶片中实现黑磷雷射元件。”

研究人员将黑磷整合到硅波导光干涉仪(途中的细线)，以精确量测其光吸收量以及侦测其中产生的光电流(来源：CollegeofScienceandEngineering，UniversityofMinnesota)

Li声称，目前正被研究中的各种2D材料里，黑磷的可调节能隙特性与其他材料也拥有的高速运作性能之间，并没有严重的折衷(trade-off)问题，这使得该种材料在上述两个条件都是“表现最佳”。赞助此研究案的单位包括美国空军科学研究所(irForceOfficeofScientificResearch)以及美国国家科学基金会(NSF)。

研究人员表示，虽然黑磷纳米片已经通过液体剥离量产，此法仍然存在问题，主要是因为黑磷纳米片不稳定，会与水或氧气反应。必须通过有效途径，液体环境稳定剥离纳米片，防止氧化。N-环己基-2-吡咯烷酮经实验证实，就是研究人员要找的溶液，N-环己基-2-吡咯烷酮已在电子制造领域广泛应用。

黑色磷的确是黑色的，不像它的同素异形体能发光，但它对光线的分散效果确实非常好，甚至优于石墨烯。正因为如此，它非常适合应用于光电领域。全新的明星材料，正在绽放光芒。