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換，不能實現(xiàn)數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，這樣就有可能用在未來的集成電路里?！彼麄儼l(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?？梢詸z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?！斑@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？現(xiàn)在還沒有人知道?！?/p>

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 。