近年來，二維晶體材料因其優(yōu)越的電氣特性，成為半導體材料研究的新方向。繼石墨烯、二硫化鉬之后，在《自然·納米技術》雜志上，復旦大學物理系張遠波教授課題組發(fā)現(xiàn)了一種新型二維半導體材料——黑磷，并成功制備了相應的場效應晶體管器件，它將有可能替代傳統(tǒng)的硅，成為電子線路的基本材料。

黑磷的原子結構圖，褶皺蜂窩結構。圖片來源：Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

二維晶體是由幾層單原子層堆疊而成的納米厚度的平面晶體，比如大名鼎鼎的石墨烯。但是石墨烯沒有半導體帶隙，即分隔電子導電能帶（導帶）和非導電能帶（價帶）之間的無人禁區(qū)，也就是說它難以完成導體和絕緣體之間的轉(zhuǎn)換，不能實現(xiàn)數(shù)字電路的邏輯開與關。而同樣由單原子層堆疊而成的黑磷，則具有一個半導體帶隙。

“兩年前中國科技大學的陳仙輝教授告訴我他們可以生長黑磷時，當時直覺就告訴我，這有可能是一個很好的半導體材料，”張遠波教授說：“果然，現(xiàn)在我們把黑磷做成納米厚度的二維晶體后，發(fā)現(xiàn)它有非常好的半導體性質(zhì)，這樣就有可能用在未來的集成電路里。”他們發(fā)現(xiàn)黑磷二維晶體有良好的電子遷移率（~1000cm2/Vs），還有非常高的漏電流調(diào)制率（是石墨烯的10000倍），與電子線路的傳統(tǒng)材料硅類似。

黑磷二維晶體場效應管結構圖。圖片來源：Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

除了電性能優(yōu)越以外，黑磷的光學性能同包括硅和硫化鉬在內(nèi)的其他材料相比也有巨大的優(yōu)勢。它的半導體帶隙是直接帶隙（如圖）,即電子導電能帶（導帶）底部和非導電能帶（價帶）頂部在同一位置，實現(xiàn)從非導到導電，電子只需要吸收能量（光能），而傳統(tǒng)的硅或者硫化鉬等都是間接帶隙，不僅需要能量(能帶變化)，還要改變動量（位置變化）。這意味著黑磷和光可以直接耦合，這個特性讓黑磷成為未來光電器件（例如光電傳感器）的一個備選材料。可以檢測整個可見光到近紅外區(qū)域的光譜。

直接帶隙（左）和間接帶隙（右）能帶分布圖。

這些初步的研究結果，遠沒有達到黑磷性能的極限，還有極大的拓展空間。張遠波教授表示，黑磷還只是一個剛剛被發(fā)現(xiàn)的材料，現(xiàn)在其前景作任何的推斷都還太早。“這個材料的很多特性還有待發(fā)掘。我們實驗室將繼續(xù)探索這些特性，并且希望能在現(xiàn)在的基礎上進一步提高樣品的質(zhì)量。”張遠波教授說：“我們正在嘗試的另外一件事是看看能不能把黑磷解離到單原子層。單原子層的黑磷會有什么不一樣的性質(zhì)？現(xiàn)在還沒有人知道。”

黑磷概念股：澄星股份、興發(fā)集團、六國化工、云天化、湖北宜化、天原集團 。