新型二维半导体材料-黑磷

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1、新型二维半导体材料——黑磷磷单质（同素异形体）红磷白磷黑磷黑磷是常见三种磷同素异形体中，形态最为稳定的一员。黑磷有四种晶体结构：正交、菱形、简单立方和无定形，常温常压下是正交晶型结构。白磷是分子晶体，立方晶系，分子间靠范德华力结合，分子式P4，4个磷原子位于四面体的四个顶点。用于制造磷酸、燃烧弹和烟雾弹。红磷是巨型共价分子，无定型结构，紫红色无定形粉末，无臭，具有金属光泽，在暗处不发磷光，无臭。不溶于水也不溶于二硫化碳以及乙醇等有机溶剂。用于制造农药和安全火柴。黑磷的结构跟石墨类似，黑磷也为片层结构，不同的是，

2、同一层的磷原子不在同一平面上，呈一种蜂窝状的褶皱结构。层内具有较强的共价键，还留有单个的电子对，层与层之间原子靠范德华力作用。黑磷的结构单层黑磷烯的制备Plasma-assistedfabricationofmonolayerphosphoreneanditsRamancharacterization黑磷晶体多层黑磷烯单层黑磷烯二维黑磷的制备分为两部分，首先是块状黑磷的制备，其次是二维黑磷的制备。块状黑磷的制备块状黑磷的制备目前尚能满足科研上二维黑磷的需要，其大规模产业化制备方法仍在研究中。二维黑磷——黑磷烯的

3、制备黑磷烯，即单层或多层黑磷（类似于石墨烯）获得高质量的二维黑磷是最为关键的制备环节，研究的思路类比于结构相似的石墨烯制备，主要的研究集中于近两年。所以二维黑磷的制备仍在研究初步阶段，产业化尚需时日。目前制备二维黑磷的方法主要有三种：机械剥离法、液相剥离法、脉冲激光沉淀法，其中机械剥离法是最常用的方法。石墨烯黑磷烯采用超声剥离黑磷制备少层黑磷片的方法，将黑磷粉末与插层剂按照一定的比例在有机溶剂中混合均匀，隔绝空气后通过超声水浴处理一定的时间后经过真空抽滤、真空干燥得到少层黑磷片材料。针对难以实现薄层黑磷的大批量

4、制备问题课题组建立了利用碱性溶液液相剥离黑磷的新方法，实现了黑磷从块材到薄层乃至单层（黑磷烯）的高效剥离和制备，并且，通过该方法制备得到的黑磷可在水等传统溶剂中稳定分散，这样大大提高了黑磷的应用范围。黑磷的半导体性质计算结果：单层黑磷的禁带宽度：~2.5eV层数增加，带隙降低块状黑磷的禁带宽度：0.3eV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-ban

5、d)半导体，也能将电子信号转成光;石墨烯是一种无带隙的半金属半导体材料，拥有超高的电子迁移率以及宽带光吸收特性。然而，无带隙的能带结构限制了石墨烯在光电领域的应用和发展。而黑磷的最大特点是拥有随着层数可变的直接带隙，这恰好解决了困扰石墨烯的难题。黑磷的电学性质黑磷具有较高的迁移率/开关比，使其能应用到石墨烯力所不及的场效应晶体管中。目前，第一代的高速黑磷晶体管受益于黑磷独特的带隙性质带来的良好电流饱和性能，在电压和功率增益上显示出优越的电子辐射频率。未来预期在纳米电子学器件会有更大的应用。TMDC：MoS2石墨

6、烯：Graphene黑磷烯：BP电磁波频谱迁移率开关比黑磷的各向异性平面内各向异性黑磷最独特的性质是平面内很强的各向异性，其正交晶系的D2h点群中，沿着纵向的锯齿型的有效载流子是沿着横向结构的十倍。这一性质使得黑磷用于设计新型的电子学和光子学器件成为可能，新的研究方向已在探索中。目前，研究者已经开始探索黑磷等离子器件外加光电子的独特偏振性质，以及在热电器件上的应用。二维材料石墨烯MoS2黑磷黑磷烯vsMoS2vs石墨烯黑磷烯无论多少层，都是直接带隙半导体，带隙随着层数减少而增加，较高的载流子迁移率可做成p型或n

7、型半导体MoS2块体是间接带隙的半导体（1.2eV）单层时候可以变成直接带隙的半导体（1.8eV）载流子迁移率过低，限制了电子领域的应用通常做成n型半导体石墨烯零带隙，无法实现半导体的逻辑开关极高载流子迁移率黑磷的应用作为锂离子电池的负极材料ElectrochemicalActivityofBlackPhosphorusasanAnodeMaterialforLithium-IonBatteriesJ.Phys.Chem.C2012,116,14772−14779黑磷的应用BlackPhosphorusand

8、itsCompositeforLithiumRechargeableBatteriesAdv.Mater.2007,19,2465–2468Graphite:372mA·h/g黑磷烯的应用场效应晶体管Blackphosphorusfield-effecttransistorsNatureNanotechnology红磷黑磷表面有一层SiO2的硅基片沉积金属实验显示，当黑磷厚度小于7.