许亦非（中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

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）

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。

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。

1 黑磷的结构

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。

2 黑磷的特性

二维晶体有很多,如石墨烯。最近,单层黑磷(BP)展现了巨大的技术潜力,特别是机械和光电性质的独特组合。一方面,这些自动薄膜可以承受的压力高达10%—25%，并且没有塑性变形或断裂。这与大多数失效机械压力约0.1%--0.4%的半导体形成鲜明对比[5]。另一方面,这些材料具有范围大的光学活性直接带隙[6]。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0.3 eV和2.0 eV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[7]。由此可见黑磷应用前景广阔。

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。

二维黑磷还可以用作p型半导体材料，这一领域还有很大发展空间。单层黑磷可以像石墨烯和二硫化钼一样采用机械剥落法制备得到[9]。Liu等[10]构造了一个2D CMOS反相器其中包含黑磷PMOS和二硫化钼NMOS晶体管。

机械剥落法制备的黑磷纳米片可用作场效应晶体管的导电通道,以氧化铝薄膜作为电介质层表面钝化后利用抗体探针与金纳米粒子结合制成生物传感器。这种传感器可以降低探测极限约10ng/ml且可以特异性探测人类的G免疫球蛋白[11]。这项研究表明，黑磷在场效应晶体管生物传感器的传感通道方面的应用效果十分出色。

4 结语

本文概述了黑磷的结构，简单讲述了单层黑磷优于其他二维材料的特性，并列举了黑磷用于场效应晶体管等方面的应用方向，简单分析了其未来发展领域。在这个信息化的时代，黑磷因其特有的性质，必将有飞速的发展。

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[2]Suess,R.;J.Leong,E.;Garrett,J.L.Mid-infrared time-resolved photoconduction in black phosphorus.2d Materials,(2016) 2053-1583.

[3]迪建.下一代半导体材料--黑磷[J].集成电路应用,2016, 33(4):42-42.DOI:10.3969/j.issn.1674-2583.2016.04.012.

[4]袁振洲,刘丹敏,田楠等.二维黑磷的结构、制备和性能[J].化学学报,2016,74(6):488-497.DOI:10.6023/A16010035.

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[6]San-Jose.;P.Parente.;V.Guinea,F.Inverse Funnel Effect ofExcitons in Strained Black Phosphorus.Physical Review X,(2016) 2160-3308.

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[8]Li,L.K.;Yu,Y.J.;Ye,G.J.Black phosphorus field-effect transistors.Nature Nanotechnology,(2014)1748-3387.

[9]Castellanos-Gomez,A.;Vicarelli,L.;Prada,E.Isolation and characterization of few-layer black phosphorus.2D Materials,( 2014)2053-1583.

[10]Liu,H.;Neal,A.T.;Zhu,Z.Phosphorene:An Unexplored 2D Semiconductor with a High Hole Mobility.Acs Nano,(2014) 1936-0851.

[11]Chen,Yantao.;Ren,Ren.;Pu,Haihui.Field-effect transistor biosensors with two-dimensional black phosphorus nanosheets. Biosensors&bioelectronics,(2016)1873-4235.