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

磷作為元素周期表中第十五號元素，其化合物通常具有化學發(fā)光性質，或者通過化學反應產生大部分無熱光。

黑磷，一直很難制備但在納米電子學領域具有應用前景，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，它有多層結構，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)國外媒體報道，都柏林三一學院的材料學家最近成功解決了這個問題。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，可以達到同樣的效果，并且整個過程更容易、更便宜。結果：層狀結構松動分離，得到只有幾個原子厚的黑磷片層。

二維(2D)材料被預期將在國際半導體技術藍圖(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);科學家們也正在研究其他“夢幻材料”，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──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硅光子元件(siliconphotonics)技術的發(fā)展，屆時各種芯片是以光而非電子來傳遞數(shù)字信號。率領該研究團隊的美國明尼蘇達大學教授MoLi表示：“我們首度證實了晶體黑磷光電探測器(photodetector)能被轉移到硅光子電路中，而且性能表現(xiàn)跟鍺(germanium)一樣好──這是光電探測器的黃金標準。”

磷在自然界是一種具備高度活性反應的物質──這也是為何它們被用來制造火柴──不過將磷在烤箱中以精確的溫度烘烤后，它的顏色會變黑，不但性質變得非常穩(wěn)定，還轉變成一種純晶體型態(tài)，能剝離到硅基板上。明尼蘇達大學的研究人員使用20個單層(monolayer)的黑磷打造第一款元件證實其光學電路，據(jù)說可達到3Gbps的通訊速度。

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

黑磷超越石墨烯的最大優(yōu)點就在于擁有能隙，使其更容易進行光探測;而且其能隙是可通過在硅基板上堆疊的黑磷層數(shù)來做調節(jié)，使其能吸收可見光范圍以及通訊用紅外線范圍的波長。此外因為黑磷是一種直接能隙(direct-band)半導體，也能將電子信號轉成光;Li表示：“我們的短期目標之一是制作黑磷電晶體，而長期目標則是在硅晶片中實現(xiàn)黑磷雷射元件?！?br/>
研究人員將黑磷整合到硅波導光干涉儀(途中的細線)，以精確量測其光吸收量以及偵測其中產生的光電流(來源：CollegeofScienceandEngineering，UniversityofMinnesota)

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

研究人員表示，雖然黑磷納米片已經通過液體剝離量產，此法仍然存在問題，主要是因為黑磷納米片不穩(wěn)定，會與水或氧氣反應。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-吡咯烷酮經實驗證實，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域廣泛應用。

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