黑磷烯制备与应用研究进展

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1、黑磷烯制备与应用研究进展／金旭等·１４９·黑磷烯制备与应用研究进展金旭，汤立红，宁平，李凯，韩新宇，郭惠斌，包双友，朱婷婷，张秀英（昆明理工大学环境科学与工程学院，昆明６５０５００）摘要黑磷烯因具有直接带隙和优异的电子迁移率等良好性能，成为一种备受关注的新型二维材料。概述了黑磷烯的制备方法，系统介绍了黑磷烯在场效应晶体管、光电元件、气体传感器及太阳能电池等领域的应用，分析了限制黑磷烯应用的主要因素。最后，展望了黑磷烯未来的发展趋势和应用前景。关键词黑磷烯直接能隙光电元件黑磷制备中图分类号：Ｏ７９９文

2、献标识码：Ａ犇犗犐：１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５０２３Ｘ．２０１６．０１１．０２５犚犲狊犲犪狉犮犺犘狉狅犵狉犲狊狊狅狀犉犪犫狉犻犮犪狋犻狅狀犪狀犱犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狅犳犘犺狅狊狆犺狅狉犲狀犲ＪＩＮＸｕ，ＴＡＮＧＬｉｈｏｎｇ，ＮＩＮＧＰｉｎｇ，ＬＩＫａｉ，ＨＡＮＸｉｎｙｕ，ＧＵＯＨｕｉｂｉｎ，ＢＡＯＳｈｕａｎｇｙｏｕ，ＺＨＵＴｉｎｇｔｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｉｕｙｉｎｇ（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔ

3、ｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０５００）犃犫狊狋狉犪犮狋Ｐｈｏｓｐｈｏｒｅｎｅｉｓａｋｉｎｄｏｆｎｏｖｅｌｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｃｑｕｉｒｅｄａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｓｕｃｈａｓｄｉｒｅｃｔｂａｎｄｇａｐａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｅｎｅａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅａ

4、ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｅｎｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ，ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ，ｖａｐｏｒｓｅｎｓｏｒ，ｓｏｌｅｒｃｅｌｌ，ｅｔｃ．ａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｍａｉｎｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｅｎｅａｒｅｓ

5、ｕｍｍａｒｉｚｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｐｈｏｓｐｈｏｒｅｎｅ，ｄｉｒｅｃｔｂａｎｄｇａｐ，ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｌａｃｋｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ值为１．９ｅＶ），但其电子迁移率仅为２００ｃｍ２／（Ｖ·ｓ）［５］，通过０引言改良后可达５００ｃｍ２／（Ｖ·ｓ）［６］。用化学气相沉积法能够生二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平成大面积的ＭｏＳ均匀原子层薄膜，使之在光学元件，如光电２面晶体，具有独特的电学、光学以及磁学等特性，并有着自身［７］探测器、光

6、发射器等方面应用更为广阔。独特的结构优势，因此常见的二维材料如石墨烯、硅烯、二硫黑磷是一种类似于石墨的波形层状结构晶体（如图１所化钼以及黑磷烯等，都受到了科学家们的广泛关注。石墨烯［８－１０］示），原子层间通过范德华力结合，易于被剥离成单层或在诸多领域都展现了优异的特性，其电子迁移率达到１０６少层的纳米薄片。在单原子层中，每个磷原子与相邻的３个２／（Ｖ·ｓ）［１］，具有良好的应用前景。但是石墨烯价带与导磷原子形成具有共价键的褶状蜂窝结构［１１－１３］（如图１（ｃ）所ｃｍ带之间没有带隙，带隙的存在能使材

7、料实现电子流的开与示）。黑磷烯是天然的ｐ型半导体，价带电子跃迁至导带时，关，是电学应用的关键。而且石墨烯与硅不相容（与硅的相为竖直跃迁，电子波矢不变，因此其具有直接带隙，且无论剥容性有望促进硅光子元件技术的发展，芯片能够实现以光而到多少层皆是直接带隙，带隙可由层数在～０．３ｅＶ（～３０层）［１４］非电子来传递数字信号），这使得其在光电器件的应用方面至～１．５ｅＶ（单层）范围调控。并且其具有明显的各向异具有局限性。零带隙特性是限制石墨烯在纳米电子器件和性，在狓方向上的弹性模量较小，且晶体电子的有效质量仅

8、光电子器件上发展的主要因素，目前已有研究者对调控带隙为０．１～０．２犿，这决定了黑磷烯具有较高的电子迁移率，单０以满足器件应用要求进行了大量的研究工作，并且也取得了层黑磷烯电子迁移率可达１００００ｃｍ２／（Ｖ·ｓ）［１５］。２０１４年，相应进展［２］。硅烯也是一种主要的二维材料［３］，但其在空气［１６］复旦大学张远波团队利用胶带进行机械剥离的方法获得中极不稳定，必须依附特殊的基质生长，这一特性也阻碍了厚度约７．５ｎｍ的黑磷烯，并在此基础上成功制备了二维黑