黑磷来了，石墨烯您怕了么？



石墨烯作为一种奇迹材料，被誉为电子产品的未来。但现在它的一个“亲戚”—黑磷，具备低成本的制造工艺，有望替代石墨烯，成为下一个新材料金矿。

黑磷

元素周期表第15位，元素符号P。黑色有金属光泽的晶体, 它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。

在过去的几年中，二维结晶体已经作为某些最令人激动的新材料，出现在人们的考虑范围内。所以材料科学家们也迫不及待地想要发现石墨烯、氮化硼、二硫化钼等物质的非凡属性。

黑磷的原子结构图，褶皱蜂窝结构

这一集体的新成员是黑磷，磷原子在黑磷中结合在一起，形成一个二维的褶皱薄片。去年，研究人员用黑磷造出了一个场效应晶体管收音机并证明该收音机工作效果极佳。这一研究表明，黑磷能在纳米电子设备领域前景广阔。

但有一个问题，黑磷难以大批量生产，而今年年初，来自爱尔兰都柏林圣三一学院的达米安·汉隆（Damien Hanlon）和几位同伴宣称他们解决了这一问题。

这些人在他们能控制的范围内，完善了一种制造大量黑磷薄片的方法。他们还用这种新发现的方法在一些新应用上对黑磷进行了测试，比如气敏传感器、光学开关等，他们甚至用这一方法强化了复合材料，让它们更坚固。

在数量较大的形态下，黑磷包括多层，类似于石墨。因此，将单个薄片分离出来的一个方法是脱落法，就是利用思高透明胶带或其他材料让各层脱落。这是一个耗时的工作，严重限制了潜在的运用。

因此汉隆等人一直在考虑另一种办法。他们的办法是把黑磷块放进液体溶剂，然后用能将材料震开的声波冲击黑磷块。

结果是大块分离成大量薄片，团队用离心机按不同尺寸过滤这些薄片。最终留下只有几层的高质量纳米薄片。“液相脱落是一种强大的技术，能造出相当大批量的纳米薄片。”他们说。

黑磷纳米薄片可能遇到的一个问题是，遇水或遇氧气时会迅速降解。因此这一团队实现的一项进步就是，预测到某些溶剂会在薄片周围形成一个溶剂化层，防止氧或其他氧化物接触到磷。

团队用N-环己基吡咯烷酮或CHP作为溶剂，正因如此，纳米薄片出人意料地耐久。

直接带隙(左)和间接带隙(右)能带分布图

与石墨烯相比，黑磷的巨大优势在于，黑磷具有一个自然的带隙，物理学家可以利用这一带隙来制造晶体管收音机等电子设备。但汉隆等人表示，新发现的黑磷纳米薄片让他们还能对一些其他想法进行试验。

例如，他们把纳米薄片加到聚氯乙烯薄膜上，从而使得其强度翻一倍，拉伸韧性也增加六倍。因此，纳米薄片不仅仅是能提高强度的碳同素异形体。

他们还通过测量传输的光量，确定了纳米薄片对脉冲激光器的非线性光感应。最后发现，随着张力的增加，黑磷吸收的光量有所减少，这是一种被称为饱和吸收的属性。另外，黑磷在这一点上的表现甚至优于石墨烯。

最后，他们测量了纳米薄片遇到氨时通过纳米薄片的电流。他们发现，材料在接触氨时电阻有所增加，这可能是因为氨放出的电子能够中和黑磷薄片中的孔洞。

这一发现结果立即让黑磷成了相当不错的氨探测器。汉隆等人称，这一材料探测氨的水平可以达到约十亿分之八十。

这些成绩标志着黑磷相关研究出现了有趣的巨变。很多人将会看到石墨烯那非凡的属性所带来的骚动，而黑磷如果能达到其一半，对材料科学家来说会是相当有意思的前景。

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