石墨烯作為一種奇跡材料，被譽(yù)為電子產(chǎn)品的未來(lái)。但現(xiàn)在它的一個(gè)“親戚”——黑磷，具備低成本的制造工藝，有望替代石墨烯，成為下一個(gè)新材料金礦。

磷作為元素周期表中第十五號(hào)元素，其化合物通常具有化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，或者通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大部分無(wú)熱光。

黑磷，一直很難制備但在納米電子學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，這與二維(單原子厚)神奇材料——石墨烯非常類似。同石墨烯一樣，黑磷在制備過程中也存在難以克服的困難，它有多層結(jié)構(gòu)，為了得到所期望的二維片層，這些多層需要通過剝離工藝一層層分離開。

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，都柏林三一學(xué)院的材料學(xué)家最近成功解決了這個(gè)問題。他們發(fā)現(xiàn)，通過將黑磷浸沒在溶液中，然后用聲波轟炸它，而不是通過層層剝離，可以達(dá)到同樣的效果，并且整個(gè)過程更容易、更便宜。結(jié)果：層狀結(jié)構(gòu)松動(dòng)分離，得到只有幾個(gè)原子厚的黑磷片層。

二維(2D)材料被預(yù)期將在國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)所指的2028年硅材料末日接棒，其中最知名的就是石墨烯(graphene);科學(xué)家們也正在研究其他“夢(mèng)幻材料”，包括過渡金屬硫化物(transitionmetaldichalcogenides，TMD)，如二硫化鉬(molybdenumdisulphide，MoS2)?，F(xiàn)在又有一種新的2D材料──黑磷(blackphosphorus)──被視為能解決石墨烯的一些問題。

黑磷沒有石墨烯的缺點(diǎn)──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且與硅不相容;與硅的相容性可望促進(jìn)硅光子元件(siliconphotonics)技術(shù)的發(fā)展，屆時(shí)各種芯片是以光而非電子來(lái)傳遞數(shù)字信號(hào)。率領(lǐng)該研究團(tuán)隊(duì)的美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)教授MoLi表示：“我們首度證實(shí)了晶體黑磷光電探測(cè)器(photodetector)能被轉(zhuǎn)移到硅光子電路中，而且性能表現(xiàn)跟鍺(germanium)一樣好──這是光電探測(cè)器的黃金標(biāo)準(zhǔn)?！?br/>
磷在自然界是一種具備高度活性反應(yīng)的物質(zhì)──這也是為何它們被用來(lái)制造火柴──不過將磷在烤箱中以精確的溫度烘烤后，它的顏色會(huì)變黑，不但性質(zhì)變得非常穩(wěn)定，還轉(zhuǎn)變成一種純晶體型態(tài)，能剝離到硅基板上。明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員使用20個(gè)單層(monolayer)的黑磷打造第一款元件證實(shí)其光學(xué)電路，據(jù)說可達(dá)到3Gbps的通訊速度。

高性能光電探測(cè)器僅使用幾層黑磷(紅色部分)，就能感測(cè)波導(dǎo)(綠色部分)中的光;也可用石墨烯(灰色)調(diào)節(jié)其性能

黑磷超越石墨烯的最大優(yōu)點(diǎn)就在于擁有能隙，使其更容易進(jìn)行光探測(cè);而且其能隙是可通過在硅基板上堆疊的黑磷層數(shù)來(lái)做調(diào)節(jié)，使其能吸收可見光范圍以及通訊用紅外線范圍的波長(zhǎng)。此外因?yàn)楹诹资且环N直接能隙(direct-band)半導(dǎo)體，也能將電子信號(hào)轉(zhuǎn)成光;Li表示：“我們的短期目標(biāo)之一是制作黑磷電晶體，而長(zhǎng)期目標(biāo)則是在硅晶片中實(shí)現(xiàn)黑磷雷射元件。”

研究人員將黑磷整合到硅波導(dǎo)光干涉儀(途中的細(xì)線)，以精確量測(cè)其光吸收量以及偵測(cè)其中產(chǎn)生的光電流(來(lái)源：CollegeofScienceandEngineering，UniversityofMinnesota)

Li聲稱，目前正被研究中的各種2D材料里，黑磷的可調(diào)節(jié)能隙特性與其他材料也擁有的高速運(yùn)作性能之間，并沒有嚴(yán)重的折衷(trade-off)問題，這使得該種材料在上述兩個(gè)條件都是“表現(xiàn)最佳”。贊助此研究案的單位包括美國(guó)空軍科學(xué)研究所(irForceOfficeofScientificResearch)以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)。

研究人員表示，雖然黑磷納米片已經(jīng)通過液體剝離量產(chǎn)，此法仍然存在問題，主要是因?yàn)楹诹准{米片不穩(wěn)定，會(huì)與水或氧氣反應(yīng)。必須通過有效途徑，液體環(huán)境穩(wěn)定剝離納米片，防止氧化。N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，就是研究人員要找的溶液，N-環(huán)己基-2-吡咯烷酮已在電子制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

黑色磷的確是黑色的，不像它的同素異形體能發(fā)光，但它對(duì)光線的分散效果確實(shí)非常好，甚至優(yōu)于石墨烯。正因?yàn)槿绱?，它非常適合應(yīng)用于光電領(lǐng)域。全新的明星材料，正在綻放光芒。