黑磷—一个注定在未来大展宏图的新材料

发信人: vivian123 版面: 人文学术浏览: 11649 回复: 0

1 楼 vivian123 发表于: 2016/5/23 15:31:53 编辑

一基本特性
黑磷与红磷和白磷是磷的同素异形体，就像金刚石和石墨一样，是由同一种元素组成，结构不同的单质，化学式可写成P，其立体分子结构式和平面分子结构式分别如图1和2所示。其外观（图3）为钢灰色，与石墨十分类似。
黑磷在室温和标准大气压下具有十分稳定的热力学形式。那么如何获得这种物质呢？一般的做法是在封闭和高压下（12000个大气压）加热白磷获得，还有一种做法是使用汞作为催化剂，并在493~643K（200摄氏度左右）的温度下加热八天，也可获得黑磷。黑磷属于正交结构或斜方晶系（晶胞参数特征：a≠b≠c，α=β=γ=90°），空间群为Cmca[No.64]，密度为2.69g/cm3。每个单胞里有8个原子。在一定程度上有着和石墨类似的褶皱层状结构，如图1所示。这种结构保证了黑磷具有比白磷和红磷更稳定的性质。

图1黑磷的原子结构立体图，褶皱蜂窝结构。图片来源：Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

图2黑磷分子结构平面图。图片来源：维基百科

图3黑磷实物图片来源：维基百科
二潜在应用
虽然，至今为止黑磷的成键机理尚未完全清楚，作为磷的同素异形体里最稳定的结构体，并且具有类似于石墨的层状结构，具有作为锂离子电池负极材料的潜能。由于黑磷的极大潜力，为了加速其商业，一些实验研究者探究了黑磷的制备方法。一项美国专利报道了一种简单且高效地制备黑磷的方法—高能球磨法 (high energy ball-milling)，我国科学家也成功制备出基于具有能隙的二维黑磷单晶的场效应晶体管。
文献表明：黑磷与它的两种同素异形体白磷和红磷的体态几何与电子结构不同，黑磷层与层之间是Van der Waals力（一种分子间的作用力，一般弱于氢键）与葛生力（取向力或称静电力）的相互作用，这种相互作用改变了Py轨道上的电子分布从而大大降低带隙值，因此，从理论上说，黑磷比磷的其它同素异形体具有更好的导电性，拥有很高的电子流动性，可以用于制造高性能低成本的电子设备。除此之外，黑磷的最大优点就在于拥有能隙，使其更容易进行光探测，而且其能隙是可借由在硅基板上堆叠的黑磷层数来做调节，因此，黑磷是一种直接能隙(direct-band)半导体，能将电子讯号转成光。根据黑磷单晶原子层数量的不同，其吸收的光的波长也有所不同。单层晶体将释放红光，而更厚的晶体则会释放红外线。这种变化使科学家们能用其制造多种光电设备，例如激光器或者探测器等。
三存在的问题
尽管黑磷二维单晶有许多优点，但其也存在一个致命的缺陷，那就是当这种纤薄的单晶与周围环境接触时，很容易发生氧化降解。在氧气、水和光的联合作用下二维黑磷单晶发生氧化。这一致命缺陷限制了其未来在工业领域的用途，因此阻止其氧化是商用的关键。
此外，现在的科学界还不知道如何大规模地制造出黑磷单晶，而且，距离其应用在商用电子设备中也有很长的路要走。