單層石墨烯（上）激發(fā)了科學家探索半導(dǎo)體單晶材料——如二維黑磷單晶（中）和二硫化鉬（下）——的熱情。

通常情況下，膠帶不會被看作是一種具有科學突破性的進展。但是當英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（Konstantin Novoselov）（兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎）2004年與同事在《科學》雜志發(fā)表了他們的研究成果——即用透明膠帶從一塊石墨烯上剝落碳原子的單原子薄片，這一研究緩緩拉開了材料學革命的序幕。

自上述曼徹斯特研究團隊發(fā)表其研究成果的11年來，相關(guān)領(lǐng)域的研究成果呈指數(shù)增長，去年，全球研究人員發(fā)表的關(guān)于石墨烯的研究成果超過1.5萬項。這種現(xiàn)象很合乎情理：石墨烯是迄今為止制作的最輕材料，它的強度是鋼的100倍，比銅的導(dǎo)電性、柔韌性更好，而且很大程度上是透明的。研究人員設(shè)想了未來以石墨烯為基礎(chǔ)建造的每樣產(chǎn)品，如從下一代計算機芯片和柔性顯示器到蓄電池和燃料電池。

然而，石墨烯可能不會通過其自身作為一種理想材料來實現(xiàn)未來的巨大影響，而是通過它衍生的產(chǎn)物。盡管石墨烯有著許多令人眼花繚亂的優(yōu)點，但它也有缺點，尤其是不能充當半導(dǎo)體——這是微電子的基石?，F(xiàn)在，化學家和材料學家正在努力越過石墨烯，尋找其他的材料。他們正在合成其他兩種兼具柔韌性和透明度，而且擁有石墨烯無法企及的電子特性的二維片狀材料，他們已經(jīng)把其中一些轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆漭p量性和柔韌性的快速電子和光學設(shè)備，他們希望，這些材料可以作為未來產(chǎn)業(yè)的支柱。

石墨烯，打開二維材料新視野

從某種意義上說，二維材料并不是全新的技術(shù)。研究人員自上世紀60年代就利用分子數(shù)外延（MBE）機器開發(fā)出原子形態(tài)的薄片材料。但是MBE機器通常被用于儲存如硅和砷化鎵等材料——這些晶體材料的原子結(jié)構(gòu)通常傾向于形成三維結(jié)構(gòu)。從這個層面看，由MBE機器制作的原子層就像一片奶酪，是三維材料的二維版本。

石墨烯有所不同，它更像一本書中的紙頁，中國臺灣新竹“國立清華大學”材料學教授Yi-Hsien Lee說。讓科學家大吃一驚的是，當他們近距離研究石墨烯時，卻發(fā)現(xiàn)塊狀石墨烯中并不存在導(dǎo)電性和光學特征?！白畲蟮慕逃柺鞘┎]有那么不同。”中國上海復(fù)旦大學凝聚態(tài)物理學家張遠波說，盡管如此，研究人員表示，“石墨烯把二維材料帶到了聚光燈下。”

在談及高科技設(shè)備時，石墨烯的光環(huán)黯淡了一些。電子時代的大多數(shù)被認為有價值的材料都是半導(dǎo)體，而石墨烯更像一個金屬導(dǎo)體?！笆┐_實是一種非常寶貴的材料?！?美國密歇根州立大學凝聚態(tài)物理學家David Tomanek說，“但它卻和電子行業(yè)不搭邊。”

然而，石墨烯打開了科學家的視野，使他們把目光聚焦于平面電子的新世界。他們看到了與石墨烯類似，但卻擁有新光電特征的材料，他們設(shè)計了單層硅（硅烯）、單層鍺（鍺烯）、單層錫（錫烯）；他們創(chuàng)造了用氮化硼制作的絕緣體，該材料有著像石墨烯一樣的雞籠式晶格結(jié)構(gòu)；他們制作了可用于控制特定化學反應(yīng)的高效催化劑單層金屬氧化物；他們甚至還在二維薄片中圈入水分子，盡管這樣做有何用途目前仍不清楚。

但就目前來看，大多數(shù)圍繞平面材料的研究工作聚焦于兩種材料：一種是叫作二硫化鉬（MoS2）的化合物；另一種是名為二維黑磷單晶（或稱黑磷）的單層磷原子。兩種材料都有著吸引人的電子特性，而它們的研究者之間的競爭也極為激烈。

二硫化鉬，光學設(shè)備優(yōu)選材料

在兩種材料中，二硫化鉬研究率先起步。二硫化鉬于2008年合成，是叫作過渡金屬二硫化物材料（TMDs）大家族的成員之一。這個顯得有點“花哨”的名字代表了它們的結(jié)構(gòu)：一個過渡金屬原子（即鉬原子）和一對包括硫元素、硒元素在內(nèi)的來自元素周期表第16列的原子（該元素家族以氧族元素著稱）。

讓電子制造者驚喜的是，所有TMDs均是半導(dǎo)體。它們和石墨烯的薄度近乎相同（在二硫化鉬中，兩層硫原子把一層鉬原子像“三明治”那樣夾在中間），但是它們卻有其他優(yōu)點。就二硫化鉬而言，優(yōu)點之一是電子在平面薄片中的運行速度，即電子遷移率。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs（即每平方厘米每伏秒通過100個電子），這遠低于晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ，但是比非晶硅和其他超薄半導(dǎo)體的遷移速度更好，科學家正在研究這些材料，使其用于未來電子產(chǎn)品，如柔性顯示屏和其他可以靈活伸展的電子產(chǎn)品。

研究表明，二硫化鉬還極易制作，即便是制作大片的二維材料。這讓工程師能以非?？斓乃俣葯z測它們在電子產(chǎn)品中的性能。例如，2011年，由瑞士聯(lián)邦理工學院的Andras Kis帶領(lǐng)的研究團隊在《自然—納米技術(shù)》發(fā)表文章稱，他們用僅有0.65納米厚的二硫化鉬單層薄片制作出首批晶體管。結(jié)果證明，那些產(chǎn)品以及隨后的產(chǎn)品比技術(shù)更先進的以硅為基礎(chǔ)的同類產(chǎn)品具有其他獨特屬性。

除此之外，二硫化鉬還有其他令人向往的特性，即直接帶隙，這一特性使該材料把電子轉(zhuǎn)變成光子，反之亦然。這個特性也讓二硫化鉬成為光學設(shè)備中采用的優(yōu)質(zhì)候選對象，這些設(shè)備諸如光發(fā)射器、激光、光電探測器，甚至還包括太陽能電池。一些科學家表示，這種材料還具備儲量豐富、價格低廉、無毒性等特點，因此Yi-Hsien Lee認為：“它的前途一片光明?！?/p>

然而，Tomanek則認為，二硫化鉬的電子遷移速率仍然不夠高，很難在擁擠的電子市場中具有競爭優(yōu)勢。其原因是這種材料的結(jié)構(gòu)特征，電子在其內(nèi)部移動時，碰到較大的金屬原子后會在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而降低遷移速度。

但也有科學家表示，這種“絆腳石”將是短暫性的。研究人員正在試圖繞過這些障礙——通過變得略厚一些的多層二硫化鉬薄片，從而給壓縮電子提供選擇路徑使其繞過路障?！皩脮r，二硫化鉬的遷移性問題將被解決。”Yi-Hsien Lee說。

黑磷，電子設(shè)備的材料新寵

二硫化鉬的競爭對手——二維黑磷單晶（又稱黑磷）似乎讓科學家更為興奮。二維黑磷單晶是純磷可以形成的三種不同的晶體結(jié)構(gòu)（或同素異形體）之一。其他兩種材料分別是用于制造煙花的白磷和用于制造火柴頭的紅磷。

二維黑磷單晶由位于兩個位面的波浪形磷原子組成，去年剛剛合成。但是其屬性已經(jīng)使它成為材料學界的寵兒，其電子轉(zhuǎn)移速率為600 cm2/vs，一些研究人員希望進一步提高這一速率；同時，其頻間帶隙（讓電流通過該物質(zhì)所需要的電伏）是可調(diào)諧的，即電子工程師可以通過簡單的改變二維黑磷單晶的疊層調(diào)整帶隙，這一特性有利于根據(jù)具體要求設(shè)計出期望的帶隙?！八羞@些屬性都讓二維黑磷單晶成為一種超級材料?！盩omanek 說。

研究人員正在以極快的速度推進二維黑磷單晶的產(chǎn)品化。去年3月2日，張遠波和復(fù)旦大學的其他同事在線發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》的報告稱，他們制作出了基于二維黑磷單晶的晶體三極管——這一產(chǎn)品在計算機邏輯電路中發(fā)揮著“心臟”作用。兩周以后，Tomanek和同事也在美國化學學會《納米》期刊上發(fā)表了他們利用二維黑磷單晶制作出的晶體管的報告。

然而，不幸的是，二維黑磷單晶在空氣中不穩(wěn)定?！霸?4小時后，我們可以看到材料表面的氣泡，然后整個設(shè)備在數(shù)日內(nèi)就會失效?！钡弥荽髮W奧斯汀分校二維黑磷單晶專家Joon-Seok Kim說。專家表示，其中的罪魁禍首是水蒸氣，它會和磷發(fā)生反應(yīng)，把磷轉(zhuǎn)化為磷酸并導(dǎo)致材料腐蝕。盡管如此，Kim的研究團隊和其他科研人員依然在設(shè)法解決這一問題。例如，Kim在今年3月份美國物理學會的一次報告中表示，他和同事已經(jīng)可以讓基于二維黑磷單晶的晶體管持續(xù)工作3個月——通過把它們封裝在氧化鋁和聚四氟乙烯的隔層中。

然而，Yi-Hsien Lee卻認為這種方法并不能保證該材料的長期穩(wěn)定性?！澳憧梢栽诋a(chǎn)品上加一層保護層，但這僅僅是減緩了老化速率?！彼麪幷撜f，二維黑磷單晶之所以獲得一些研究人員的青睞，是因為這種材料易于上手：像石墨烯那樣，可以輕而易舉地用透明膠帶剝落黑磷的薄片?！斑@是同一種方法?！盰i-Hsien Lee說，“但這并不意味著，二維黑磷單晶前景大好?！?/p>

最終，兩種材料或許都有很大的發(fā)展空間。“我們才剛剛?cè)腴T?！狈鹆_里達州立大學物理學家Luis Balicas說。他表示，隨著時間的發(fā)展，工程師將利用二硫化鉬與光的強相互作用制作太陽能電池、光發(fā)射器和其他光學設(shè)備；同時增強二維黑磷單晶的高電子遷移率，并用其制作電子設(shè)備。

研究表明，石墨烯是一種無帶隙的半金屬半導(dǎo)體材料，擁有超高的電子遷移率以及寬帶光吸收特性。然而，無帶隙的能帶結(jié)構(gòu)限制了石墨烯在光電領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。而黑磷的最大特點是擁有隨著層數(shù)可變的直接帶隙，這恰好解決了困擾石墨烯的難題。新加坡國立大學光電協(xié)同創(chuàng)新中心教授張晗透漏，黑磷的研究和應(yīng)用才剛開始，其非線性光學特性被國內(nèi)外多家單位證實并應(yīng)用于超快激光的產(chǎn)生中。

此外，黑磷的應(yīng)用不局限于光電領(lǐng)域，其在生物醫(yī)學領(lǐng)域也具有優(yōu)勢。為此，張晗與中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員喻學峰、香港城市大學教授朱劍豪合作，成功研發(fā)出新型的超小黑磷量子點，并將其作為光熱制劑應(yīng)用于腫瘤治療中?？梢灶A(yù)見不久的將來，它將成為“第二個石墨烯”。

市場對稀缺性的炒作

黒磷雖然在納米電子學應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的前景，但是同石墨烯一樣，在制備過程中存在難以克服的苦難，不易大量生產(chǎn)。為此我們發(fā)現(xiàn)正是因為黑鱗的稀缺性，才會有炒作的價值。根據(jù)過往石墨烯板塊的走勢來看，石墨烯概念股的漲幅驚人。

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 。