黑磷：厚度依赖的结构稳定和各向异性

黑磷：厚度依赖的结构稳定和各向异性

近年来，二维纳米材料获得了人们的广泛关注。石墨烯作为代二维层状材料已被广泛的应用于各个领域。然而，零带隙和半金属的特性极大的限制了其进一步的应用。二维过渡金属硫化物(TMDs)虽然克服了这些缺憾，然而较大的带隙及较低的电荷运输能力为其应用带来了新的难题。近年来，另一种二维纳米材料黑磷（BP）逐渐被人们所重视。它的带隙性质不仅填补了石墨烯和TMDs材料之间而空白，同时保持了较高的电荷迁移率、较大的光子作用及光电量子产率。特别是，BP独特的褶皱状原子排列导致了其独特的各项异性的物理、化学性质。BP的这些特性使其在光电、催化等领域成为了不可缺少的重要材料。

厚度是影响二维材料性质的重要因素。BP的许多性质（带隙值、能带排列、电荷有效质量、光助氧化性质等）同样依赖于其厚度的变化。事实上，BP厚度依赖的性质变化本质仍是其结构的调控。相邻BP层之间距离，以及层内BP原子排列的微弱变化将极大的改变其层间的电子耦合、电子排布，相应引起电学和光学的改变。而外界压力正是改变BP原子间相互距离、原子排布的有效手段。

左：BP的压力-厚度结构相图；中、右：171 nm和6 nm厚度的两种BP在高压下的晶胞体积及压缩系数。

近期，南方科技大学权泽卫课题组选择了厚度在71 nm和6 nm之间的BP材料，研究厚度依赖的高压下的结构和性质变化。通过高压原位同步辐射X光衍射与拉曼实验发现，不同厚度的BP在高压下的相变序列（A17相到A7相到SC相）与其体材料完全相同，但是相变压力点明显高于体材料，这主要是纳米材料增强的表面能导致的。同时BP的高压结构体现出明显的厚度依赖特性（上图）。特别是在71 nm至13 nm之间，相变压力明显的升高。这表明，在该厚度范围内，BP的厚度的降低将极大的促进其结构稳定性的升高。此外，通过对晶胞参数压缩率（Kl）的计算，发现在3 GPa以下，BP呈现出明显的厚度依赖的各向异性结构压缩，且厚度的降低带来的更为刚性的层间结构。

该工作是BP在高压下系统的厚度依赖结构性质研究。通过总结BP材料厚度依赖的结构相图和各向异性的压缩率，将BP的厚度-压力-结构相互联系，这为可控设计和制造BP器件提供了新的信息和策略。相关工作在线发表在Advanced Electronic Materials（DOI: 10.1002/aelm.201800712）上。

黑磷光学和光电子学性质及应用综述

近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料界面研究中心李佳副研究员与喻学锋研究员等在材料学领域的著名刊物Small Methods上合作发表了题为“Optical and Optoelectronic Properties of Black Phosphorus and Recent Photonic and Optoelectronic Applications”的综述文章(DOI: 10.1002/smtd.201900165)，归纳总结了近几年黑磷在光子学、光电子学领域的材料特性探索与器件应用研究。

二维黑磷是近年来脱颖而出并受到广泛关注的新型半导体材料。凭借优异的光子学及光电子学材料特性，黑磷在各类光子和光电器件应用中表现出优异潜力。首先，黑磷具有灵活可调的直接带隙，这为光电器件提供了从可见跨越至中红外的宽光谱高效光电响应。其次，从晶体管器件的迁移率和开关比这两个关键性能来考虑，黑磷填补了石墨烯和过渡金属二硫化物之间的空隙，为晶体管器件提供了理想的平衡性能。不仅如此，黑磷的面内各项异性对材料的电学、光学以及机械性能等具有极大影响，从而为深入探索新颖的光电基本原理以及实现光电器件新功能应用提供了一个优秀平台。因此，近年来针对黑磷光子学及光电子学特性的基础研究与应用开发，已成为相关学者研究的热点。

本综述文章首先介绍了黑磷的研究历史及材料结构特征，以此为基础，对二维黑磷的光学基本特性包括光吸收、光致发光、光生电流、三次谐波、光生载流子动力学以及电光调制的研究进行了全面归纳和介绍，并讨论了二维黑磷面内各向异性带来的新颖光子学和光电子学特性及应用，对于黑磷相关的各类光子学和光电子学器件应用做了完整的概括。本文作者也基于他们对这一领域的理解，指出了未来二维黑磷光电应用的前景和挑战。