許亦非（中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

黑磷的特性與應(yīng)用

許亦非（中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

黑磷擁有直接帶隙的特性，填補(bǔ)了二維材料的空白，成為備受關(guān)注的新型二維材料。其良好地光吸收效率，結(jié)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(yīng)用價(jià)值。本文概述了黑磷的結(jié)構(gòu)、直接帶隙特性和其在半導(dǎo)體、場效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域的應(yīng)用。

黑磷；直接帶隙；場效應(yīng)晶體管；半導(dǎo)體

二維晶體以平面形式存在，猶如將三維晶體減薄至一個(gè)原子層厚。二維材料中石墨烯以其諸多優(yōu)良的性能而備受關(guān)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(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵。硅則在光子元件發(fā)展中有很重要地位，因此這使得石墨烯在光電領(lǐng)域的應(yīng)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(zhì)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(duì)于一個(gè)單原子層的1.7-2.0 eV[2]。黑磷最大優(yōu)點(diǎn)就在于擁有帶隙，使其易于進(jìn)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(shù)來做調(diào)節(jié)，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(dǎo)體和光學(xué)等領(lǐng)域的巨大前景。

本文先簡述了黑磷結(jié)構(gòu)和部分特性，隨后概述了其在半導(dǎo)體、場效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 黑磷的結(jié)構(gòu)

黑磷是磷的一種同素異形體，形態(tài)比較穩(wěn)定，上個(gè)世紀(jì)50年代起，就有研究者進(jìn)行相關(guān)研究。已知黑磷有四種晶體結(jié)構(gòu):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(jié)構(gòu)，空間群為Cmca,每個(gè)單胞里有8個(gè)原子，黑磷為片層結(jié)構(gòu)[4]。層內(nèi)原子依靠共價(jià)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(xiàn)了巨大的技術(shù)潛力,特別是機(jī)械和光電性質(zhì)的獨(dú)特組合。一方面,這些自動(dòng)薄膜可以承受的壓力高達(dá)10%—25%，并且沒有塑性變形或斷裂。這與大多數(shù)失效機(jī)械壓力約0.1%--0.4%的半導(dǎo)體形成鮮明對(duì)比[5]。另一方面,這些材料具有范圍大的光學(xué)活性直接帶隙[6]。單層黑磷在二維晶體領(lǐng)域特別重要,因?yàn)樗俏ㄒ恢苯訋吨g的覆蓋范圍達(dá)0.3 eV和2.0 eV并隨著層數(shù)減少,而且其擁有高流動(dòng)性，這些特性可用于高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)、射頻電路、靈活和打印系統(tǒng)和光電設(shè)備[7]。由此可見黑磷應(yīng)用前景廣闊。

3 黑磷的應(yīng)用

二維晶體材料已成為一個(gè)類可能會(huì)影響未來電子技術(shù)的材料。如今,基于單層黑磷的場效應(yīng)晶體管厚度可降低到幾納米。載流子遷移率與厚度相關(guān)，在厚度接近10nm時(shí)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(shè)備中的應(yīng)用很有潛力。

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

機(jī)械剝落法制備的黑磷納米片可用作場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電通道,以氧化鋁薄膜作為電介質(zhì)層表面鈍化后利用抗體探針與金納米粒子結(jié)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(xiàng)研究表明，黑磷在場效應(yīng)晶體管生物傳感器的傳感通道方面的應(yīng)用效果十分出色。

4 結(jié)語

本文概述了黑磷的結(jié)構(gòu)，簡單講述了單層黑磷優(yōu)于其他二維材料的特性，并列舉了黑磷用于場效應(yīng)晶體管等方面的應(yīng)用方向，簡單分析了其未來發(fā)展領(lǐng)域。在這個(gè)信息化的時(shí)代，黑磷因其特有的性質(zhì)，必將有飛速的發(fā)展。

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[4]袁振洲,劉丹敏,田楠等.二維黑磷的結(jié)構(gòu)、制備和性能[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2016,74(6):488-497.DOI:10.6023/A16010035.

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