使用黑磷的新型半导体器件的可能性

波长可调红外发光二极管是由柔性聚酰亚胺衬底上的黑磷和二硫化钼异质结构组成。资料来源:Kim hygjin /UC Berkeley

压力和紧张，运用得当，有时可以产生惊人的结果。

这就是由加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系领导的研究人员发现的一种新兴半导体材料——黑磷(BP)——用于制造两种光电器件:发光二极管(LEDs)和光探测器。

根据研究作者Ali Javey的说法，在机械压力下，BP可以被诱导发射或探测到波长范围合适的红外(IR)光，波长从2.3到5.5微米，横跨短波到中波的红外波段，并且在室温下可逆地这样做。林半导体加工研究特聘教授和电气工程教授，博士后研究员金炯镇。哈维还是劳伦斯伯克利国家实验室的资深科学家。

Javey和Kim说，他们的发现意义重大，不仅在于达到这些波长的能力，而且在于可调谐地在一个设备中做到这一点。目前的技术将需要多个庞大的设备和不同的半导体材料来实现类似的结果。

他们在《自然》杂志上描述了他们的发现。

Javey和Kim说，能够在一个设备中使用更广泛的红外光谱，可以帮助满足在光通信、热成像、 健康 监测、光谱学、化学传感等领域日益增长的应用需求。为了证明这种灵活性，研究人员使用他们的一种新设备来检测多种气体。

当柔性衬底弯曲时，柔性衬底上的黑磷发生应变。资料来源:Kim hygjin /UC Berkeley

伯克利领导的研究小组发现，在光电设备中使用薄层BP，并使其承受不同程度的应变，可在出乎意料的大范围内实现可逆可调输出波长。BP和其他半导体材料的输出波长是一种被称为带隙的特性。

光电子器件工作的光谱范围很大程度上取决于其半导体材料的带隙。对于给定的应用，可以使用不同的方法来获得所需的工作波长。例如，合金——不同成分的材料——和应变可以用来调节带隙。虽然这些方法确实有效，但它们产生的设备具有固定的工作波长。

“在我们的工作中，我们可以主动改变黑磷的带隙，这样单个光电探测器或LED就可以在大约2到5微米的范围内改变其工作波长，”Kim说。

“我们可以来回多次，只要我们想，”Kim说，基于BP的设备的可逆可调谐波长。他说，他们利用了BP的“神奇”特性，特别是它在应变下的带隙变化，比传统半导体材料观测到的要大得多。

Javey说:“这个装置本身就有创新，但是我们使用的黑磷材料也有固有的独特特性(带隙和应变敏感性)，我们将这两个关键特性结合起来。”

黑磷是一种像石墨烯一样的二维材料。在一种被称为剥离的过程中，研究人员使用透明胶带将这种材料的纳米薄层剥离，然后将其转移到柔性聚合物基底上，在这种情况下，是聚对苯二甲酸乙二醇(PETG)。

应变的应用可以主动、可逆地调制黑磷电磁波的波长和光子能量。资料来源:Kim hygjin /UC Berkeley

Kim说:“由于它具有机械灵活性，我们可以将其弯曲到所需的半径，并可控制地向BP施加应变。”即弯曲成为一个有效的调节BP带隙的旋钮。

事实上，由于它的褶皱晶格结构，金说，BP显示出独特的应变依赖性质，除了带隙，包括可调谐范德华相互作用和压电。他说，由于BP的薄膜性质，菌株可以用可逆的方式应用到BP上。

在其中一个应用中，研究人员使用了一种叫做非色散红外气体传感的技术。因为每一种气体都有自己的吸收带，也就是它在特定波长吸收的光量，一个输出波长足够的可调谐红外LED可以探测到，例如，人类呼吸排出的二氧化碳。这是因为这种气体吸收的光在4.3微米左右，在2.3到5.5微米的设备范围内。其他可调BP led可检测的气体包括甲烷和水。

BP光电探测器的一个应用可能是热成像。例如，它可以用在夜视镜中，探测任何放热热源，比如人体。这种可调谐的光电探测器将能够在红外波长范围内进行选择性热成像。

Javey说，从材料的角度来看，人们对识别这种波长范围内效率更高的新型半导体很感兴趣。“那时我们开始研究黑磷，因为我们已经知道它有一个与中波长IR重叠的带隙。从那时起，我们研究了如何使用这种材料制造高效的设备，如led和光电探测器。但这里的新特性是可调性——你可以在大波长范围内用应变主动调整设备。”

接下来，Javey说，“我认为这个设备的概念可以应用到光谱的其他部分，甚至可以制造可以在可见区域运行的设备。”例如，如果这些概念和材料能够通过微型化的机电设备以可制造、可扩展的方式结合在一起，就可以实现新型显示器。”

黑磷是黑色有金属光泽的晶体，是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。 黑磷在磷的同素异形体中反应活性最弱的，它在空气中不会点燃。黑磷是一种半导体，它的密度为2.70g/cm3和硬度为2.它的晶格是由双原子层组成的，每一个层是由曲折的磷原子链组成的.在这些链中，P-P-P键角为990°磷一磷键距为2.17埃.黑磷在空气中是稳定的。黑磷的用途如下:黑磷具有正交结构且是反应活性最低的磷同素异形体。其晶格是一个相互链接的六元环，每个原子都与其他三个原子相连 。黑磷在常温常压下是一种热力学稳定的磷的同素异形体，因此黑磷难以制备，一般是通过将白磷在高压条件下(12 000 atm) 加热制得。黑磷在外观、性能和结构上都很像石墨，呈现黑色、片状，并能导电，链接原子呈褶皱的片状。在层状黑磷结构中的声子、光子和电子表现出高度的各向异性，在电子薄膜和红外线光电子技术上有重大潜在应用价值。在黑磷中光吸收对光偏振、薄膜厚度和掺杂十分敏感。黑磷光电晶体管也表现出在红外和可见光中的高光谱检测。黑磷与石墨的相似之处还包括可剥离的可能性，形成亚磷，一种具有优良电子转移性能的类石墨材料,剥离的黑磷暴露在空气和水中时会被氧化，在真空中加热到400 ℃ 时升华。这种高质量、层数少的黑磷纳米片可以通过液相剥离制备

磷有三种同素异形体白磷，红磷，黑磷 。其中，白磷、红磷不导电，这是常见的磷的形态，因此一般说磷不导电的 。但是黑磷（不常见）有类似石墨的结构，因此可以导电。黑磷（金属磷）：黑色有金属光泽的晶体，在磷的同素异形体中反应活性最弱，在空气中不会点燃。化学结构类似石墨，因此可导电。化学式一般写为P。在半导体中采用的磷为黑磷。

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