石墨烯的出現(xiàn)是近年來(lái)非常重大的成就之一，很多原本難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)借助石墨烯的幫助已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。但石墨烯價(jià)格高昂，想要使用其進(jìn)行產(chǎn)品制造或技術(shù)研究，那么成本就會(huì)大大增長(zhǎng)，科學(xué)家們開(kāi)始迫切的尋找一種低價(jià)的替代商品。
初中化學(xué)中學(xué)過(guò)的為數(shù)不多的物質(zhì)之一就是磷，最常聽(tīng)到的是紅磷和白磷，黑磷其實(shí)也是磷的一種同素異形體。百余年前，化學(xué)家就合成出了黑磷這種物質(zhì)，合成后沒(méi)有了后文。
由于石墨烯帶來(lái)的二維材料的熱潮，直到2013年才有人重新把興趣集中在黑磷上。在2014年上半年一系列的文獻(xiàn)中，有人通過(guò)剝離的方式得到了10到20個(gè)原子厚度的超薄黑磷薄膜，現(xiàn)在黑磷二維材料已經(jīng)成為了晶片界的一個(gè)新寵。
黑磷讓人興奮的地方在于其可以制備出超薄黑磷（也稱為磷烯），其非常類似二維材料石墨烯。但是與石墨烯最大不同在于，磷烯存在能隙，而石墨烯沒(méi)有。那能隙是什么呢?在半導(dǎo)體中，由于能隙的存在，半導(dǎo)體只有吸收足夠的能量才會(huì)呈現(xiàn)出另一種狀態(tài)，即在半導(dǎo)體原件中可以表示0和1。如果沒(méi)有能隙存在，就很難表示數(shù)字電路中的邏輯狀態(tài)。
黑磷的能隙還可以通過(guò)黑磷層數(shù)進(jìn)行微調(diào)，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)電氣工程學(xué)院的助理教授馮·菲利普解釋道。其能隙電壓可以控制在0.3-2.0伏特范圍內(nèi)，這個(gè)覆蓋成都幾乎涵蓋了最近發(fā)現(xiàn)的所有二維材料的能隙電壓。而且它可以作為其他不同物質(zhì)之間間隙的連接橋梁。
韓國(guó)成均館大學(xué)的科學(xué)家最近通過(guò)結(jié)合不同材料調(diào)整了黑磷的能隙電壓值，制作出的晶體管非常接近現(xiàn)在常見(jiàn)的硅芯片結(jié)構(gòu)。
能隙作用除了實(shí)現(xiàn)以上功能，還對(duì)材料的光電特性有影響?？茖W(xué)家也對(duì)黑磷的光電能力做了研究，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)光子學(xué)專家李默說(shuō)：“光電特性包括光的吸收、發(fā)射和調(diào)制，半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能主要依賴于能隙的大小。”黑磷的能隙范圍意味著它可以吸收0.6到4.0微米波長(zhǎng)的光，如果換算成顏色，其覆蓋范圍在可見(jiàn)光到紅外線區(qū)間。這個(gè)光譜范圍是黑磷在光相關(guān)傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵。
李默的研究小組制作了一個(gè)基于黑磷的光線探測(cè)器，這個(gè)光線探測(cè)器每秒能夠轉(zhuǎn)換三十億比特的光信號(hào)。
不幸的是，黑磷難以制備，難以保存。目前只有一種制備方法，就是將紅磷在高溫高壓下形成黑磷，然后將黑磷剝離成可制備納米材料的原子厚度的薄片。而更不幸的是，黑磷暴露在空氣中后，就會(huì)和空氣中的水蒸氣和氧氣反應(yīng)，性能就會(huì)大打折扣。“幸運(yùn)的是，許多惰性材料都可以用來(lái)保護(hù)黑磷材料，延長(zhǎng)黑磷設(shè)備在空氣中的使用時(shí)間?！崩钅f(shuō)。
