新型二维半导体材料——黑磷..
黑磷详细性能参数
黑磷性能参数黑磷性能参数，这是大家很关心的内容。
科学研究从未停止对于新材料的研究，比如石墨烯材料，自发现以来就被应用于多种电子产品的生产，被称之为奇迹材料。
而如今，科学家们又发现黑鳞，与石墨烯相比，特点就是低成本的制造工艺，在生产生活中有很多优势，也被预测也会取代石墨烯。
下面就由先丰纳米简单的介绍黑磷性能参数。
二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体，比如石墨烯。
但是石墨烯没有半导体带隙，也就是说它难以完成导体和绝缘体之间的转换，不能实现数字电路的逻辑开与关。
而同样由单原子层堆叠而成的黑磷，则具有一个半导体带隙。
研究人员把黑磷做成纳米厚度的二维晶体后，发现它有非常好的半导体性质，这样就有可能用在未来的集成电路里。
黑磷二维晶体有良好的电子迁移率，还有非常高的漏电流调制率，是石墨烯的10000倍，与电子线路的传统材料硅类似。
除了电性能外，黑磷的光学性能同包括硅和硫化钼在内的其他材料相比也有优势。
它的半导体带隙是直接带隙,即电子导电能带底部和非导电能带顶部在同一位置，实现从非导到导电，电子只需要吸收能量，而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙，不仅需要能量，还要改变动量。
这意味着黑磷和光可以直接耦合，这个特性让黑磷成为未来光电器件的一个备选材料。
可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。
这些初步的研究结果，远没有达到黑磷性能的极限，还有极大的拓展空间。
黑磷还只是一个刚刚被发现的材料，现在其前景作任何的推断都还太早。
这个材料的很多特性还有待发掘。
如果想要了解更多关于黑磷的内容，欢迎立即咨询先丰纳米公司。
先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商，专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向，现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线。
自2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。
科研客户超过一万家，工业客户超过两百家。
南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及技术提供商。
新型二维半导体资料-黑磷
• 引言 • 黑磷的基本性质 • 黑磷的制备方法 • 黑磷在电子器件中的应用 • 黑磷在生物医学领域的应用 • 黑磷的挑战与前景 • 结论
01
引言
黑磷的发现与特性
发现
黑磷是在2014年被发现的一种新型 二维半导体材料，具有优异的电学和 光学性能。
特性
黑磷具有高电子迁移率、良好的热稳 定性和化学稳定性，以及优异的光电 性能，在微电子、光电子和新能源等 领域具有广阔的应用前景。
需要进一步研究的问题
黑磷的稳定性问题
黑磷在空气中容易氧化，影响其稳定性和实际应用。需要 深入研究如何提高黑磷的稳定性，以及探索其在不同环境 下的稳定性表现。
黑磷的可扩展性制备问题
目前黑磷的制备方法主要采用剥离法，难以实现大规模生 产和应用。需要研究新的制备方法，提高黑磷的可扩展性 和产量。
黑磷与其他材料的复合问题
为了拓展黑磷的应用领域，需要研究黑磷与其他材料的复 合结构和性能，探索其在异质结构中的功能协同作用。
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04
黑磷在电子器件中的应用
场效应晶体管
总结词
黑磷具有优异电子传输性能和稳定性，使其成为制造高性能场效应晶体管的理想材料。
详细描述
黑磷场效应晶体管具有较高的开关比、低功耗和良好的热稳定性，适用于制造微电子设 备和集成电路。黑磷晶体管的优异性能使其在物联网、智能传感器等领域具有广阔的应
用前景。
太阳能电池
黑磷的制备方法
直接剥离法
总结词
直接剥离法是一种简单而直接的方法，通过施加机械力将块体黑磷材料逐层剥 离，得到二维黑磷片层。
详细描述
该方法利用机械力对块体黑磷材料进行剥离，如使用胶带或机械摩擦等方式， 使黑磷片层从块体中分离出来。这种方法操作简单，但得到的二维黑磷片层尺 寸较小，且厚度不易控制。
黑磷纳米片红外光谱峰
黑磷纳米片红外光谱峰
黑磷纳米片（BPNSs）是一种具有特殊性质的新型二维半导体材料，具有直接带隙结构和高载流子迁移率等特点。
在红外光谱分析中，黑磷纳米片可以表现出特定的红外吸收峰，这些峰位主要与黑磷纳米片的结构和组成有关。
由于黑磷纳米片具有二维结构，其红外光谱峰通常表现出较宽的峰形，这是由于黑磷纳米片的振动模式与自由磷原子相比发生了变化。
在黑磷纳米片的红外光谱中，常见的峰位主要位于1000-2000 cm^-1和3000-4000 cm^-1范围内。
其中，1000-2000 cm^-1范围内的峰主要与黑磷纳米片的P-P键振动有关，而3000-4000 cm^-1范围内的峰则与P-H键振动有关。
总之，黑磷纳米片在纳米尺度下的红外光谱特性可能会因其尺寸、形貌和表面修饰等因素而发生变化。
因此，在实际应用中，需要对黑磷纳米片进行详细的红外光谱分析，以了解其具体的光谱特性。
黑磷烯原料的制备
新的二维半导体材料——黑磷烯科学家最近发现黑磷烯有望超越石墨烯，成为硅理想的替代材料。
初中化学中学过的为数不多的物质之一就是磷，最常听到的是红磷和白磷，黑磷其实也是磷的一种同素异形体。
百余年前，化学家就合成出了黑磷这种物质，合成后没有了后文。
由于石墨烯带来的二维材料的热潮，直到2013年才有人重新把兴趣集中在黑磷上。
在2014年上半年一系列的文献中，有人通过机械剥离的方式得到了10到20个原子厚度的超薄黑磷薄膜，现在黑磷二维材料已经成为了晶片界的一个新宠。
黑磷让人兴奋的地方在于其可以制备出超薄黑磷（也称为磷烯），其非常类似二维材料石墨烯。
但是与石墨烯最大不同在于，磷烯存在能隙，而石墨烯没有。
那能隙是什么呢？在半导体中，由于能隙的存在，半导体只有吸收足够的能量才会呈现出另一种状态，即在半导体原件中可以表示0和1。
如果没有能隙存在，就很难表示数字电路中的逻辑状态。
黑磷的能隙还可以通过黑磷层数进行微调，其能隙电压可以控制在0.3-2.0伏特范围内，这个覆盖成都几乎涵盖了最近发现的所有二维材料的能隙电压。
而且它可以作为其他不同物质之间间隙的连接桥梁。
韩国成均馆大学的科学家最近通过结合不同材料调整了黑磷的能隙电压值，制作出的晶体管非常接近现在常见的硅芯片结构。
能隙作用除了实现以上功能，还对材料的光电特性有影响。
科学家也对黑磷的光电能力做了研究，美国明尼苏达大学光子学专家李默（Mo Li，音译）说：「光电特性包括光的吸收、发射和调制，半导体材料的光学性能主要依赖于能隙的大小。
」黑磷的能隙范围意味着它可以吸收0.6到4.0微米波长的光，如果换算成颜色，其覆盖范围在可见光到红外线区间。
这个光谱范围是黑磷在光相关传感器应用的关键。
虽然有这么多好处，但不幸的是，黑磷难以制备，难以保存。
传统制备方法，就是将白磷或者红磷在高温高压下用汞做催化剂形成黑磷，但这种方法实验条件比较苛刻，操作危险性较大。
Tom Nilges等在常压下以高纯红磷为原料，与AuSn和SnI4充分混合后，一同密封在内径为10mm的石英管内，置于单温区炉中升温至600℃并恒温23h，以40℃/h 的降温速率将炉温降至500℃后，4h内快速降温至室温，即可在石英管的冷端得到黑磷单晶。
2024年黑磷市场前景分析
2024年黑磷市场前景分析引言黑磷是一种具有广泛应用潜力的新型材料，具有优异的物理和化学性质。
本文将对黑磷市场前景进行分析，探讨其在不同应用领域的发展潜力。
黑磷的基本概述黑磷是一种层状二维材料，由具有六方晶系统的磷原子组成。
其在自然界中存在较少，但在实验室中可以通过化学气相沉积、机械剥离等方法进行合成。
相对于其他二维材料如石墨烯和二硫化钼，黑磷具有较窄的能带间隙和高的载流子迁移率，使其在电子器件、催化剂等领域具有巨大的应用潜力。
电子器件领域黑磷具有优异的电子输运性能，适合用于制造高效率的电子器件。
近年来，科研人员通过利用黑磷的层状结构，成功制备出了具有高载流子迁移率的薄膜晶体管。
此外，在光电器件中，黑磷又可以作为光电转换材料，用于制造光电探测器和太阳能电池。
因此，在电子器件领域，黑磷有望取代传统的材料，成为下一代高性能器件的主要材料之一。
催化剂领域黑磷在催化剂领域也具有潜力巨大的应用前景。
由于其独特的层状结构和活性位点，黑磷可以作为高效的催化剂，用于促进化学反应的进行。
例如，黑磷可以用作电催化剂，用于催化水分解产生氢气。
此外，黑磷还可以作为电催化剂，用于催化二氧化碳的还原反应，促进可持续能源的制备。
这些应用领域的开发将推动黑磷在催化剂领域的市场需求进一步增加。
生物医药领域黑磷在生物医药领域也有着广阔的应用前景。
黑磷具有良好的生物相容性和生物降解性，可以用于制备生物传感器和药物传递系统。
同时，黑磷的光电特性使其能够用于生物成像和光热治疗等领域。
近年来，科研人员已经成功地将黑磷应用于肿瘤治疗，并取得了一定的研究进展。
随着对黑磷在生物医药领域的研究不断深入，相信其在治疗癌症、诊断疾病等方面的应用前景将更加广阔。
结论综上所述，黑磷作为一种新型材料，在电子器件、催化剂和生物医药领域具有广阔的应用前景。
随着相关技术的不断发展，预计黑磷市场规模将持续扩大。
然而，目前黑磷的合成方法和制备工艺还存在一些困难和挑战，需要进一步的研究和改进。
黑磷的特性与应用
黑磷是磷的一种同素异形体，形态比较稳定，上个世纪 50 年代起，就有研究者进行相关研究。已知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，黑磷是正交晶型 结构，空间群为 Cmca,每个单胞里有 8 个原子，黑磷为片层结构 。 [4] 层内原子依靠共价键连接，而层与层之间则是范德华力 作用。
单层黑磷在二维晶体领域特别重要因为它是唯一直接带隙之间的覆盖范围达03ev和20ev并随着层数减少而且其拥有高流动性这些特性可用于高速数字电路设计射频电路灵活和打印系统和光电设备1
专业管理
黑磷的特性与应用
许亦非（中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083）
摘要：黑磷拥有直接带隙的特性，填补了二维材料的空白， 成为备受关注的新型二维材料。其良好地光吸收效率，结合它 本身的高载流子迁移率，使得黑磷在通讯及能源方而具有重要 的潜在应用价值。本文概述了黑磷的结构、直接带隙特性和其 在半导体、场效应晶体管等领域的应用。
3 黑磷的应用
二维晶体材料已成为一个类可能会影响未来电子技术的 材料。如今,基于单层黑磷的场效应晶体管厚度可降低到几纳 米。载流子迁移率与厚度相关，在厚度接近 10nm 时载流子迁 移率最高近 1000cm2·v-1·s-1 [8] 。这表明单层黑磷晶体作为一种 新的二维材料在纳米电子设备中的应用很有潜力。
关键词：黑磷；直接带隙；场效应晶体管；半导体 二维晶体以平面形式存在，犹如将三维晶体减薄至一个原 子层厚。二维材料中石墨烯以其诸多优良的性能而备受关注， 然而石墨烯缺乏带隙且与硅不相容。带隙控制电子流，是电学 应用的关键。硅则在光子元件发展中有很重要地位，因此这使 得石墨烯在光电领域的应用受到了很大的限制[1]。黑磷作为材 料用于光电器件则有许多有利的性质如载流子迁移率高,直接 带隙范围可以从在大部分晶体的 0.3 eV 到对于一个单原子层 的 1.7 -2.0 eV[2]。黑磷最大优点就在于拥有带隙，使其易于进行 光探测，这是石墨烯所不具备的特性。而且，其带隙是可通过 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[3]。由此可见其在半导体和光学 等领域的巨大前景。 本文先简述了黑磷结构和部分特性，随后概述了其在半导 体、场效应晶体管等领域的应用。
哪个厂商黑磷好
哪个厂商黑磷好哪个厂商黑磷好？这是很多消费者想要搞明白的事情。
石墨烯作为刚刚兴起两三年的新材料，尚处于资本和产业“群雄逐鹿”时代。
然而，另一种新型单元素二维原子晶体材料——黑磷被发现，与石墨烯类似，黑磷具有诸多优异特性，故被称为比肩石墨烯的“梦幻材料”。
黑磷的研究和应用才刚开始，已经有很多厂家出现。
那么哪个厂商黑磷好呢？这里推荐先丰纳米。
下面就简单的介绍一番什么是黑磷。
1、黑磷是什么?黑磷，元素周期表15位，元素符号P。
黑色有金属光泽的晶体, 它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。
2、黑磷的属性？黑磷具有正交结构且是反应活性低的磷同素异形体。
其晶格是一个相互链接的六元环，每个原子都与其他三个原子相连。
黑磷在常温常压下是一种热力学稳定的磷的同素异形体，因此黑磷难以制备，一般是通过将白磷在高压条件下(12 000 atm) 加热制得。
黑磷呈现黑色、片状，并能导电，链接原子呈褶皱的片状。
在层状黑磷结构中的声子、光子和电子表现出高度的各向异性，在电子薄膜和红外线光电子技术上有重大潜在应用价值。
常见的黑磷有四种：斜方、菱形、立方和无定形。
无定形的黑磷在125℃向红磷转变。
黑磷具有类似石墨的片状结构（波形层状结构）。
层之间的键合比层内的键合弱，与石墨相似，具有导电性。
这类晶体的本质特征不仅晶体内有共价键还有离域键和范德华力。
有些科研机构对黑磷的插层性能进行研究。
3、黑磷与石墨烯区别？与石墨烯不同在于，黑磷存在能隙，而石墨烯没有。
那能隙是什么呢？在半导体中，由于能隙的存在，半导体只有吸收足够的能量才会呈现出另一种状态，即在半导体原件中可以表示0和1。
如果没有能隙存在，就很难表示数字电路中的逻辑状态。
以上就是黑磷的简单的介绍，如果想要了解更多的问题，欢迎立即咨询南京先丰纳米公司。
先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商，专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向，现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线。
二维纳米材料黑磷的光电特性研究进展
范德 华 力作用 【７】。黑磷 独特 的褶皱结 构，使它 展现 出 性 ，在生物 医学领 域具 有其他 无机 纳米材 料不 具备 的
有别 于 其他 二维材 料 的优 异性 质和应 用 。首先 ，与 石 天 然 优 势 。 本 文 主 要 介 绍 了 黑 磷 的 几 种 制 备 方 法 ， 并
第 ３８卷 第 ４期 ２０１８年 ０８月
物 理 学 进 展
ＰＲＯＧ ＲＥＳＳ ＩＮ ＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏ１．３８ Ｎ Ｏ．４ Ａ ｕｇ． ２０１８
二维 纳 米 材 料 黑磷 的光 电特 性研 究进 展
尤 凯熹，范涛健 ，葛颜绮 ，张 晗
深 圳大学黑磷 光电Ｉ程实验 室，光电协同刨新中心，光 电Ｉ程学院
关键 词：二维材料；黑磷制备；光电特性；光电应用
中图分类号 ： ０７９９ 文献标 识码 ： Ａ
ＤＯＩ：１０．１３７２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｐｉｐ．２０１８．０４．００２
３
Ｍ ４ ４ ５ ５ ６
６ ６ ７ ７
＂ ＂ ＂ ＂ ＂ ＂ ８ ８ ８ Ｏ ０ Ｏ ｌ ｌ
文章编号：１０００—０５４２（２０１８）０４—０１６３—１２
１６３
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（ａ）
尤凯熹等：二维纳 米材料 黑磷的光电特 性研究进展
（ｃ）
团
（ｂ）
Ｃ
ｂ
ｂ
ａ
Ｃ
图 １．（ａ）和 （ｂ）在 ａｃ和 平面 ｔ的 单层 ＢＰ 的投影 。上 部和下部原子 分别 以浅色和深色 呈现 。（Ｃ）品胞 的示意图 ． ￣＿１ ／－Ｊ 卡啊 邻层之间的 １ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ２单位的偏移 ［７１
分 稳 定 。层 内 具 有 较 强 的 共 价 键 ， 并 还 留 有 个 的 电 胞 中 ， 一 个 成 人 体 内就 含 有 ６００￣９００ ｇ 的磷 ， Ｉ 人 体
2024年黑磷市场发展现状
2024年黑磷市场发展现状引言黑磷是一种具有特殊结构的二维材料，具有优异的电子、光学和热学性能。
近年来，黑磷材料在电子器件、光电子器件、光伏能源等领域受到了广泛关注。
本文将对黑磷市场的发展现状进行探讨。
黑磷的基本特性黑磷属于一种单层二维材料，其晶格结构呈现出网状的状貌。
黑磷具有较高的载流子迁移率，优良的热导率和光学特性，同时还有良好的柔性和可调控的能带结构。
由于这些优异的特性，黑磷在研发和应用领域有着广泛的前景。
黑磷在电子器件领域的应用黑磷具有优异的电子特性，适合应用于电子器件领域。
近年来，研究人员通过利用黑磷的独特性能，成功制备了多种高性能的电子器件，如场效应晶体管（FET）、逻辑门、谐振子等。
这些器件在低功耗电子器件、高速逻辑电路和灵敏传感器等领域有着广泛的应用。
黑磷在光电子器件领域的应用黑磷具有宽带隙和调控能带结构的特性，使其在光电子器件领域具有广阔的应用前景。
研究人员已经成功制备了一系列黑磷光电探测器、光触发器、光放大器等器件。
这些器件在光通信、光储存和光传感等领域有着潜在的应用价值。
黑磷在光伏能源领域的应用黑磷由于其在光学特性上的优异表现，使其成为太阳能电池领域的研究热点。
黑磷太阳能电池具有较高的光电转换效率和稳定性，且在低光强度环境下也有良好的性能。
但是，黑磷太阳能电池仍然存在一些挑战，如制备工艺复杂、成本高昂等问题，需要进一步研究和改进。
黑磷市场的发展趋势目前，黑磷材料的制备方法和性能调控技术正在不断改进和创新。
预计未来几年，黑磷市场将继续呈现稳定增长的态势。
随着技术进步和工艺改进，黑磷材料的生产成本将会逐渐降低，从而促进其在各个领域的大规模应用。
结论总体而言，黑磷作为一种具有特殊结构和优异性能的二维材料，具有广阔的应用前景。
通过进一步研究和开发，黑磷材料将在电子器件、光电子器件和光伏能源等领域发挥重要作用。
随着市场需求的增加和技术不断进步，黑磷市场有望实现良性发展，为相关产业做出更大的贡献。
黑磷材料的制备与性能调控
黑磷材料的制备与性能调控黑磷材料是一种新兴的二维半导体材料，因其优异的电学、光学、热学和力学性能，在电子器件、太阳能电池、液晶显示、传感器等领域具有广泛的应用前景。
然而，黑磷的制备和性能调控仍然是一个挑战。
本文就黑磷的制备和性能调控进行深入探讨。
一、黑磷的制备黑磷是一种由P4分子组成的二维层状芳香锑矿材料，在自然界中通常以白、红、紫、黑等颜色的多形存在。
黑磷的制备方法主要有三种：机械剥离法、化学气相沉积法和化学还原法。
机械剥离法是通过机械剥离的方法获得薄层黑磷。
通常先制备出黑磷晶体，然后在压力较低的环境下，用胶带粘取晶体表面，然后剥离产生薄层黑磷。
虽然这种方法简单易行，但是得到的黑磷数量较少，且容易受到空气和湿度污染。
化学气相沉积法是通过在高温气氛下水热合成，然后用气相沉积的方法将金属前体和磷源混合后沉积在衬底上。
这种方法可以在大量生产和可控的环境下制备黑磷，但是需要高温、高压以及特殊环境，使得该方法的成本较高。
化学还原法是通过在高温还原环境中，将二氧化磷分解为黑磷。
这种方法操作简便，成本较低，可以得到纯度较高、单晶似乎度较高、微型结构更便于控制的黑磷。
因此，化学还原法是黑磷制备的主要方法之一。
二、黑磷的性能调控黑磷具有许多优异的性能，但是其应用受到许多制约因素限制，例如低层厚度、不稳定、氧化等。
因此，调控其物理和化学性质是实现其应用的关键。
下面我们将从三个方面对黑磷性能的调控进行探讨：宏观结构、晶体缺陷和化学修饰。
1. 宏观结构宏观结构调控是通过调整黑磷在不同表面及其形状上的分布、层数和相邻原子的相互关系。
例如，通过控制黑磷薄膜的厚度可以调控其光学性能。
在实际应用中，通过制备不同层级的黑磷样品，可以发现其光学性能会随着层级减小而改善。
此外，还可以通过引入底部支撑层或者进行手性转移来控制黑磷的形状和分布。
例如，在硅基底上添加一层二氧化硅，可以通过化学气相沉积法在二氧化硅表面上制备出具有三角形和笔直形的黑磷薄膜。
黑磷纳米片研究背景及意义
黑磷纳米片研究背景及意义摘要：一、黑磷纳米片研究背景1.黑磷的发现与特性2.纳米技术的兴起与黑磷纳米片的研究二、黑磷纳米片的意义1.优异的物理性质2.潜在的应用领域3.我国在该领域的研究进展正文：黑磷纳米片研究背景及意义近年来，黑磷纳米片成为了科研领域的热点。
本文将从黑磷纳米片的研究背景和意义两个方面进行阐述。
一、黑磷纳米片研究背景1.黑磷的发现与特性黑磷（BP）是一种半导体材料，早在1844年就被科学家发现。
然而，在很长一段时间里，黑磷的研究并未引起广泛关注。
直到2004年，科学家们发现黑磷具有优异的半导体性能，才开始重新审视这一材料。
2.纳米技术的兴起与黑磷纳米片的研究随着纳米技术的迅猛发展，研究人员开始关注纳米尺度下的黑磷。
黑磷纳米片因其独特的二维结构、高比表面积、优异的力学、热学和电学性能而备受瞩目。
这使得黑磷纳米片在多个领域具有广泛的应用前景。
二、黑磷纳米片的意义1.优异的物理性质黑磷纳米片具有很高的载流子迁移率，这使得其在高性能电子器件领域具有潜在的应用。
此外，黑磷纳米片还具有很好的光学性能，可用于光电器件的制备。
2.潜在的应用领域黑磷纳米片在新能源、生物医学、催化、光学和电子器件等领域具有广泛的应用前景。
例如，黑磷纳米片可以作为锂离子电池的负极材料，提高电池的能量密度和循环寿命；在生物医学领域，黑磷纳米片可以作为光敏剂用于光动力治疗。
3.我国在该领域的研究进展我国在黑磷纳米片研究方面取得了显著成果。
科研人员已成功制备出具有优异性能的黑磷纳米片，并在各个领域开展了应用研究。
此外，我国政府也对黑磷纳米片的研究给予了大力支持，为科研人员提供了良好的政策环境。
总之，黑磷纳米片作为一种具有优异性能的二维材料，在我国得到了广泛关注和研究。
二维黑磷的制备、表面功能化与光电催化
二维黑磷的制备、表面功能化与光电催化杨环环1,2,喻彬璐1,王佳宏1,2,喻学锋1,2(1.深圳二维原子晶体制备技术工程研究中心,中国科学院深圳先进技术研究院,广东深圳518055;2.中国科学院大学)摘要:黑磷作为一种新型的单元素直接带隙半导体,因其独特的二维结构展现出诸多优异特性,在光电、生物、传感、信息等领域具有很大的应用潜力。
近年来,针对黑磷的制备和应用,发展出许多新方法和新技术,例如:通过液相超声/剪切、高能球磨、电化学剥离和等离子体辅助剥离等技术实现了二维黑磷的高效制备;发展了系列物理、化学方法对二维黑磷进行表面修饰,抑制其与水、氧接触,提高了二维黑磷的稳定性并提升了光电等物理性能;借助构建异质结构、掺杂等方式改变黑磷表面电子态密度、增加活性位点,提高了二维黑磷材料的催化活性。
从二维黑磷的制备、表面功能化与光电催化三方面出发,综述目前的研究现状和未来可能的发展方向。
关键词:黑磷;二维材料;剥离;表面功能化;光电催化中图分类号:TQ126.31文献标识码:A文章编号:1006-4990(2021)05-0013-08Preparation ,surface functionalization and photoelectrocatalysis oftwo ⁃dimensional black phosphorusYang Huanhuan 1,2,Yu Binlu 1,Wang Jiahong 1,2,Yu Xuefeng 1,2(1.Shenzhen Engineering Center for the Fabrication of Two ⁃dimensional Atomic Crystals ,Shenzhen Institutes of Advanced Technology ,Chinese Academy of Sciences ,Shenzhen 518055,China ;2.University of Chinese A cademy of Sciences )Abstract :As a new type of single element direct⁃bandgap semiconductor ,black phosphorus shows many excellent character⁃istics due to its unique two⁃dimensional structure ,which has great potential in the fields of photoelectronics ,biology ,sensing ,information and so on.In recent years ,many new methods and technologies have been developed for the preparation and application of black phosphorus ,such as liquid⁃phase ultrasonic/shear ,high⁃energy ball milling ,electrochemical stripping and plasma assisted stripping to achieve efficient prepa⁃ration of two⁃dimensional black phosphorus.A series of physical and chemical methods have been developed to modify the surface of two⁃dimensional black phosphorus to inhibit its contact withwater and oxygen and improve the stability and physical properties(such as photoelectronics)of two⁃dimensional black pho⁃sphorus.With the help of heterostructure construction ,doping and other ways to change the surface electronic density of statesand increase the active sites of black phosphorus ,the catalytic activity of two⁃dimensional black phosphorus materials hasbeen improved.Basing on preparation ,surface functionalization and photocatalysis of two⁃dimensional black phosphorus,the current research status and possible future development direction were summarized.Key words :black phosphorus ;two⁃dimensional materials ;exfoliation ;surface functionalization ;photoelectrocatalysis黑磷作为一种新兴的单元素直接带隙半导体材料,具有与石墨烯类似的二维结构,自2014年被成功剥离以来,引起了世界范围内科学家的广泛关注[1-2]。
二维黑磷纳米片的液相剥离和稳定性研究
二维黑磷纳米片的液相剥离和稳定性研究于波;杨娜;王佳宏;喻学锋【摘要】黑磷是一种具有天然褶皱结构的直接带隙二维半导体材料,因其拥有诸多传统二维半导体材料不具备的优秀特性,故自2014年起倍受研究人员的青睐.在该研究中,首先,通过液相剥离方法成功制备了不同尺寸大小的二维黑磷纳米片;其次,用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜对样品的尺寸、形貌、厚度进行系统表征,并对不同尺寸大小的二维黑磷的拉曼散射光谱进行了研究.由于黑磷在水中会逐渐反应生成磷酸或亚磷酸,所以黑磷在水氧环境中会逐渐分解.而黑磷的可降解性是它作为可降解生物医用材料的重要基础,故对不同尺寸的黑磷纳米片的降解特性进行了一系列的检测.研究不同尺寸黑磷纳米片水溶液的吸收光谱和pH值随时间变化过程发现,黑磷纳米片在前3天会迅速降解,之后其降解速率逐渐平稳;同时发现纳米片的尺寸越小,其降解速率越快.【期刊名称】《集成技术》【年(卷),期】2018(007)003【总页数】7页(P24-30)【关键词】黑磷;二维材料;纳米片;液相剥离;稳定性【作者】于波;杨娜;王佳宏;喻学锋【作者单位】中国科学院深圳先进技术研究院生物医用材料与界面研究中心深圳518055;中国科学院深圳先进技术研究院生物医用材料与界面研究中心深圳518055;中国科学院深圳先进技术研究院生物医用材料与界面研究中心深圳518055;中国科学院深圳先进技术研究院生物医用材料与界面研究中心深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TG1561 引言1914年，Bridgman 等[1]首次在高温高压的条件下制得黑磷晶体，但由于制备条件过于苛刻，未能引起广泛关注。
直到 2014年，复旦大学张远波教授团队首次揭示了寡层黑磷的特殊褶皱二维结构和高迁移率，黑磷作为二维材料家族的新成员才重新吸引了研究人员的目光[2]。
作为一种直接带隙半导体材料，块体黑磷的带隙大小约为 0.3eV；而单层黑磷的带隙约为 1.5eV，且其带隙大小可以通过层数进行调节[3]。
新型二维半导体材料——黑磷.答案
黑磷的应用
Black Phosphorus and its Composite for Lithium Rechargeable Batteries Adv. Mater. 2007, 19, 2465–2468
Graphite: 372 mA·h/g
黑磷烯的应用
场效应晶体管Black phosphorus field-effect transistors Nature Nanotechnology
红磷
高温 高压
黑磷
胶带机 械剥离
沉积金属
连续电子 表面有一层 束蒸发 SiO2的硅基片
实验显示，当黑磷厚度小于7.5纳米时，其在室温下可以得 到可靠的晶体管性能，其漏电流的调制幅度在10万量级， 电流-电压特征曲线展现出良好的电流饱和效应。晶体管的
电荷载流子迁移率还呈现出对厚度的依赖性，当二维黑磷 材料厚度在10纳米时，获得最高的迁移率值大约1000平方
厘米每伏每秒。这些性能表明，二维黑磷场效应晶体管在 纳米电子器件应用方面具有极大的潜力。
黑磷烯晶体管同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，具有双极性，这使得其在光电探测领域具有应用前
景。研究发现当电子在黑磷晶体管中移动时，只会在两个维度移动，表面二维黑磷或许能够替换硅用于制 作性能更好的晶体管，提升芯片性能。
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。
黑磷
物理科学1301班 王瑜
简介
元素周期表第15位，元素符号P。黑色有金属光泽的晶体, 它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。黑色 有金属光泽的晶体, 它是用白磷在很高压强和较高温度下 转化而形成的。 在磷的同素异形体中反应活性最弱的， 它在空气中不会点燃。 已知道的黑磷有四种：斜方、菱形、立方和无定形。无定 形的黑磷在125℃向红磷转变。黑磷具有类似石墨的片状 结构（波形层状结构）。层之间的键合比层内的键合弱， 与石墨相似，具有导电性。这类晶体的本质特征不仅晶体 内有共价键还有离域键和范德华力。有些科研机构对黑磷 的插层性能进行研究。
将白磷在高压下，或在常压用汞作催化剂，和以 小量黑磷作为晶种的情况下，在493~643开尔文 下加热八天,即可得到钢灰色的同素异形体----黑磷。 或用HMX药柱与白磷之间有机玻璃隔板距离为 2mm，此时输出压力可达约20GPa，HMX药柱装 药密度至少为1.8g/cm3，药柱高度10mm，直径 20mm，上表面有直径8.5mm，高55mm的凹槽以 放置**，药柱质量约为5.14g，其下放置填充白磷 的药柱，高5mm，直径20mm，外侧用有机玻璃 进行约束，爆炸时尽可能隔绝空气。 利用HMX爆炸产生的高温高压试图将白磷转 化为黑磷。
2014年3月初，在《自然· 纳米技术》杂志上，复旦大学物理系张远波教授课题 组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷，并成功制备了相应的场效应晶 体管器件，它将有可能替代传统的硅，成为电子线路的基本材料。 他们发现，黑磷二维晶体有良好的电子迁移率(~1000cm2/Vs)，还有非常高的 漏电流调制率(是石墨烯的10000倍)，与电子线路的传统材料硅类似。 除了电性能优越以外，黑磷的光学性能同包括硅和硫化钼在内的其他材料相比 也有巨大的优势。它的半导体带隙是直接带隙，即电子导电能带(导带)底部和 非导电能带(价带)顶部在同一位置，实现从非导到导电，电子只需要吸收能量 (光能)，而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙，不仅需要能量(能带变化)， 还要改变动量(位置变化)。 这意味着黑磷和光可以直接耦合，这个特性让黑磷成为未来光电器件(例如光 电传感器)的一个备选材料，可以检测整个可见光到近红外区域的光谱
新型二维半导体材料——黑磷
通常做成n型半导体
可做成p型或n型半导 体
黑磷的应用
作为锂离子电池的负极材料 Electrochemical Activity of Black Phosphorus as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries
J. Phys. Chem. C 2012, 116, 14772−14779
石墨烯
• 机械剥离 • CVD • 氧化石墨还原 • 化学合成等
黑磷烯
• 目前只有机械 剥离
黑磷烯的应用
场效应晶体管 Black phosphorus field-effect transistors
Nature Nanotechnology
红磷
高温 高压
黑磷
胶带机 械剥离
沉积金属
连续电子 束蒸发
单层黑磷烯的制备
Plasma-assisted fabrication of monolayer phosphorene and its Raman characterization
黑磷晶体
机械剥 离
多层黑磷 烯
Ar+等离 子体剥离
单层黑磷 烯
发展前景
1、纳米电子和光电应用 2、单层黑磷烯的制备与研究
黑磷的应用
Black Phosphorus and its Composite for Lithium Rechargeable Batteries
Adv. Mater. 2007, 19, 2465–2468
பைடு நூலகம்
Graphite: 372 mA· h/g
黑磷烯的制备
黑磷烯，即单层或多层黑磷（类似于石墨烯）
表面有一层 SiO2的硅基片
p型半导体二维材料
p型半导体二维材料
p型半导体二维材料是指在纯半导体材料中掺入三价元素（如硼或镓）制得的，这种半导体中主要的移动电荷是空穴。
p型半导体二维材料的特点包括：通过三价元素掺杂产生空穴；主要载流子为空穴；在电场的作用下，空穴向正极移动。
以黑磷为例，它是一种典型的p型二维半导体，直接带隙0.3eV，截止波长位于中波红外4.1μm。
将一层黑磷作为中红外吸收层包裹在两层n-型MoS2制作全耗尽n-p-n异质结，可以实现高效率光生载流子分离和收集。
总的来说，p型半导体二维材料在光电器件等领域具有广泛的应用前景。
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通常做成n型半导体
可做成p型或n型半导 体
黑磷的应用
作为锂离子电池的负极材料 Electrochemical Activity of Black Phosphorus as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries
J. Phys. Chem. C 2012, 116, 14772−14779
新型二维半导体材料oS2
黑磷
黑磷的结构
磷单质
红磷
黑磷
白磷
黑磷的制备
高温高压法 高能球磨法
• 将白磷在12000大气压下加热到200摄氏 度，可得到片状黑磷 • 对红磷或白磷进行高能球磨，可得到黑 磷粉末 • 红磷在部分金属（如：Au、Sn等）的催 化下，加热可转化为黑磷
金属催化法
黑磷的半导体性质
计算结果： 单层黑磷的禁带宽度：~2.5 eV
层数增加， 带隙降低
块状黑磷的禁带宽度：0.3 eV
黑磷 vs MoS2
MoS2
块体是间接带隙的半 导体（1.2 eV）
单层时候可以变成直 接带隙的半导体 （1.8 eV）
黑磷
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
黑磷的应用
Black Phosphorus and its Composite for Lithium Rechargeable Batteries
Adv. Mater. 2007, 19, 2465–2468
Graphite: 372 mA· h/g
黑磷烯的制备
黑磷烯，即单层或多层黑磷（类似于石墨烯）
表面有一层 SiO2的硅基片
实验显示，当黑磷厚度小于7.5纳米时，其在室温下可以得 到可靠的晶体管性能，其漏电流的调制幅度在10万量级， 电流-电压特征曲线展现出良好的电流饱和效应。晶体管的 电荷载流子迁移率还呈现出对厚度的依赖性，当二维黑磷 材料厚度在10纳米时，获得最高的迁移率值大约1000平方 厘米每伏每秒。这些性能表明，二维黑磷场效应晶体管在 纳米电子器件应用方面具有极大的潜力。
石墨烯
• 机械剥离 • CVD • 氧化石墨还原 • 化学合成等
黑磷烯
• 目前只有机械 剥离
黑磷烯的应用
场效应晶体管 Black phosphorus field-effect transistors
Nature Nanotechnology
红磷
高温 高压
黑磷
胶带机 械剥离
沉积金属
连续电子 束蒸发
单层黑磷烯的制备
Plasma-assisted fabrication of monolayer phosphorene and its Raman characterization
黑磷晶体
机械剥 离
多层黑磷 烯
Ar+等离 子体剥离
单层黑磷 烯
发展前景
1、纳米电子和光电应用 2、单层黑磷烯的制备与研究