黑磷的特性與應用

許亦非（中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

黑磷的特性與應用

許亦非（中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

黑磷擁有直接帶隙的特性，填補了二維材料的空白，成為備受關注的新型二維材料。其良好地光吸收效率，結合它本身的高載流子遷移率，使得黑磷在通訊及能源方而具有重要的潛在應用價值。本文概述了黑磷的結構、直接帶隙特性和其在半導體、場效應晶體管等領域的應用。

黑磷；直接帶隙；場效應晶體管；半導體

二維晶體以平面形式存在，猶如將三維晶體減薄至一個原子層厚。二維材料中石墨烯以其諸多優良的性能而備受關注，然而石墨烯缺乏帶隙且與硅不相容。帶隙控制電子流，是電學應用的關鍵。硅則在光子元件發展中有很重要地位，因此這使得石墨烯在光電領域的應用受到了很大的限制[1]。黑磷作為材料用于光電器件則有許多有利的性質如載流子遷移率高,直接帶隙范圍可以從在大部分晶體的0.3 eV到對于一個單原子層的1.7-2.0 eV[2]。黑磷最大優點就在于擁有帶隙，使其易于進行光探測，這是石墨烯所不具備的特性。而且，其帶隙是可通過在硅基板上堆疊的黑磷層數來做調節，使其能吸收可見光范圍以及通訊用紅外線范圍的波長[3]。由此可見其在半導體和光學等領域的巨大前景。

本文先簡述了黑磷結構和部分特性，隨后概述了其在半導體、場效應晶體管等領域的應用。

1 黑磷的結構

黑磷是磷的一種同素異形體，形態比較穩定，上個世紀50年代起，就有研究者進行相關研究。已知黑磷有四種晶體結構:正交、菱形、簡單立方和無定形。常溫常壓下，黑磷是正交晶型結構，空間群為Cmca,每個單胞里有8個原子，黑磷為片層結構[4]。層內原子依靠共價鍵連接，而層與層之間則是范德華力作用。

2 黑磷的特性

二維晶體有很多,如石墨烯。最近,單層黑磷(BP)展現了巨大的技術潛力,特別是機械和光電性質的獨特組合。一方面,這些自動薄膜可以承受的壓力高達10%—25%，并且沒有塑性變形或斷裂。這與大多數失效機械壓力約0.1%--0.4%的半導體形成鮮明對比[5]。另一方面,這些材料具有范圍大的光學活性直接帶隙[6]。單層黑磷在二維晶體領域特別重要,因為它是唯一直接帶隙之間的覆蓋范圍達0.3 eV和2.0 eV并隨著層數減少,而且其擁有高流動性，這些特性可用于高速數字電路設計、射頻電路、靈活和打印系統和光電設備[7]。由此可見黑磷應用前景廣闊。

3 黑磷的應用

二維晶體材料已成為一個類可能會影響未來電子技術的材料。如今,基于單層黑磷的場效應晶體管厚度可降低到幾納米。載流子遷移率與厚度相關，在厚度接近10nm時載流子遷移率最高近1000cm2·v-1·s-1[8]。這表明單層黑磷晶體作為一種新的二維材料在納米電子設備中的應用很有潛力。

二維黑磷還可以用作p型半導體材料，這一領域還有很大發展空間。單層黑磷可以像石墨烯和二硫化鉬一樣采用機械剝落法制備得到[9]。Liu等[10]構造了一個2D CMOS反相器其中包含黑磷PMOS和二硫化鉬NMOS晶體管。

機械剝落法制備的黑磷納米片可用作場效應晶體管的導電通道,以氧化鋁薄膜作為電介質層表面鈍化后利用抗體探針與金納米粒子結合制成生物傳感器。這種傳感器可以降低探測極限約10ng/ml且可以特異性探測人類的G免疫球蛋白[11]。這項研究表明，黑磷在場效應晶體管生物傳感器的傳感通道方面的應用效果十分出色。

4 結語

本文概述了黑磷的結構，簡單講述了單層黑磷優于其他二維材料的特性，并列舉了黑磷用于場效應晶體管等方面的應用方向，簡單分析了其未來發展領域。在這個信息化的時代，黑磷因其特有的性質，必將有飛速的發展。

[1]金旭,湯立紅,寧平等.黑磷烯制備與應用研究進展[J].材料 導 報,2016,30(11):149- 155.DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2016.011.025.

[2]Suess,R.;J.Leong,E.;Garrett,J.L.Mid-infrared time-resolved photoconduction in black phosphorus.2d Materials,(2016) 2053-1583.

[3]迪建.下一代半導體材料--黑磷[J].集成電路應用,2016, 33(4):42-42.DOI:10.3969/j.issn.1674-2583.2016.04.012.

[4]袁振洲,劉丹敏,田楠等.二維黑磷的結構、制備和性能[J].化學學報,2016,74(6):488-497.DOI:10.6023/A16010035.

[5]Allec,S.I.;Wong,B.M.Inconsistencies in the Electronic Properties of Phosphorene Nanotubes:New Insights from Large-Scale DFT Calculations.Journal of Physical Chemistry Letters, (2016)1948-7185.

[6]San-Jose.;P.Parente.;V.Guinea,F.Inverse Funnel Effect ofExcitons in Strained Black Phosphorus.Physical Review X,(2016) 2160-3308.

[7]Aldave,S.H.;Yogeesh,M.N.;Zhu,W.N.Characterization and sonochemical synthesis of black phosphorus from red phosphorus.2d Materials,(2016)2053-1583.

[8]Li,L.K.;Yu,Y.J.;Ye,G.J.Black phosphorus field-effect transistors.Nature Nanotechnology,(2014)1748-3387.

[9]Castellanos-Gomez,A.;Vicarelli,L.;Prada,E.Isolation and characterization of few-layer black phosphorus.2D Materials,( 2014)2053-1583.

[10]Liu,H.;Neal,A.T.;Zhu,Z.Phosphorene:An Unexplored 2D Semiconductor with a High Hole Mobility.Acs Nano,(2014) 1936-0851.

[11]Chen,Yantao.;Ren,Ren.;Pu,Haihui.Field-effect transistor biosensors with two-dimensional black phosphorus nanosheets. Biosensors&bioelectronics,(2016)1873-4235.