下一個萬億市場：今天我們來認(rèn)識下黒磷

　　我們都知道，相較于傳統(tǒng)材料的諸多優(yōu)異性能，新材料越來越受各國重視，其中化工新材料、微電子、光電子、新能源成了研究最活躍、發(fā)展最快、最為投資者所看好的新材料領(lǐng)域。材料創(chuàng)新已成為推動人類文明進(jìn)步的重要動力，成為一國科技發(fā)展的重要支撐。

　　為此，我國在新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，重點(diǎn)針對特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)高分子材料、新型無機(jī)非金屬材料、高性能復(fù)合材料以及前沿新材料等領(lǐng)域做了具體規(guī)劃，進(jìn)一步促進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　據(jù)觀察，在眾多新材料中，石墨烯被譽(yù)為“黑金”和“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，受到了各界廣泛關(guān)注。一時間石墨烯概念成為了“黑科技”的代名詞。與此同時，近年來與石墨烯一樣擁有二維層狀結(jié)構(gòu)的黑磷也展現(xiàn)出卓越的電學(xué)和光學(xué)特性，被視為新的超級材料，其在光電器件、催化和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力引起了全世界的廣泛關(guān)注。

　　什么是黒磷?

　　黑磷具有正交結(jié)構(gòu)且是反應(yīng)活性最低的磷同素異形體。其晶格是一個相互鏈接的六元環(huán)，每個原子都與其他三個原子相連 。黑磷在常溫常壓下是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的磷的同素異形體，因此黑磷難以制備，一般是通過將白磷在高壓條件下加熱制得。

　　黑磷在外觀、性能和結(jié)構(gòu)上都很像石墨，呈現(xiàn)黑色、片狀，并能導(dǎo)電，鏈接原子呈褶皺的片狀。在層狀黑磷結(jié)構(gòu)中的聲子、光子和電子表現(xiàn)出高度的各向異性，在電子薄膜和紅外線光電子技術(shù)上有重大潛在應(yīng)用價值。在黑磷中光吸收對光偏振、薄膜厚度和摻雜十分敏感。

　　黑磷光電晶體管也表現(xiàn)出在紅外和可見光中的高光譜檢測。黑磷與石墨的相似之處還包括可剝離的可能性，形成亞磷，一種具有優(yōu)良電子轉(zhuǎn)移性能的類石墨材料，剝離的黑磷暴露在空氣和水中時會被氧化，在真空中加熱到400℃ 時升華。這種高質(zhì)量、層數(shù)少的黑磷納米片可以通過液相剝離制備。

　黒磷能做什么?

　　1、光電探測

　　近年來，中波紅外在熱成像、分子鑒定、自由空間通訊、光學(xué)雷達(dá)等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用，以上領(lǐng)域都要求器件在室溫下具備高靈敏度。目前非制冷(室溫)紅外探測器的主流技術(shù)為熱敏電阻式微輻射熱計(jì)，但是器件的比探測率偏低、響應(yīng)時間慢，核心技術(shù)也受到國外的封鎖。

　　針對這方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授(點(diǎn)擊查看介紹)課題組及科研合作團(tuán)隊(duì)利用新型窄帶隙二維材料“黑砷磷”(b-AsP)及相關(guān)范德華異質(zhì)結(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了室溫性能超越現(xiàn)有商用技術(shù)的高靈敏中波紅外光電探測，為推動二維材料在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用邁出重要一步。

　　2、新型激光器

　　由劍橋大學(xué)石墨烯中心Tawfique Hasan博士帶領(lǐng)的研究發(fā)現(xiàn)，黑磷(BP)是一種與石墨烯相似的獨(dú)特二維材料，與傳統(tǒng)的噴墨打印技術(shù)相兼容，使其可能成為實(shí)現(xiàn)首次基于BP的激光器和光電子器件的可擴(kuò)展大規(guī)模制造。

　　來自劍橋、倫敦帝國理工學(xué)院、芬蘭阿爾托大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及浙江大學(xué)的跨學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)精心優(yōu)化了BP的化學(xué)成分，以便通過復(fù)雜和競爭的流體效應(yīng)的平衡來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的油墨。這樣一來，便能夠通過高速打印生產(chǎn)新的功能激光器和光電子器件。

　　3、光伏

　　中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒與中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院副教授楊英以及物理與電子學(xué)院副教授肖思等合作，在黑磷光伏器件應(yīng)用領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將大小僅為幾個納米的黑磷量子點(diǎn)應(yīng)用于構(gòu)筑染料敏化太陽能電池的光陰極。染料敏化太陽能電池具有成本低廉、工藝簡單且環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)太陽能電池高轉(zhuǎn)化效率的首要途徑就是盡可能提高太陽光的利用率。

　　團(tuán)隊(duì)利用黑磷量子點(diǎn)的近紅外強(qiáng)吸收和高光電轉(zhuǎn)換能力，將黑磷量子點(diǎn)沉積于多孔導(dǎo)電聚苯胺薄膜表面，制備出可紅外光響應(yīng)的光陰極，與光陽極形成互補(bǔ)的光吸收，將器件的光吸收范圍擴(kuò)展至可見-紅外波段，從而組裝成可雙面進(jìn)光的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池。電池性能測試結(jié)果表明，沉積黑磷量子點(diǎn)后光陰極實(shí)現(xiàn)了對低能紅外光子的充分利用，并有效增加了器件的光生載流子濃度，從而將太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了20%。該研究成果表明黑磷量子點(diǎn)在太陽能電池、光伏器件等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

　　4、半導(dǎo)體材料

　　固體所物質(zhì)計(jì)算科學(xué)研究室鄒良劍研究員與中國科技大學(xué)陳仙輝教授研究團(tuán)隊(duì)以及香港大學(xué)沈順清教授合作，在靜水壓調(diào)控塊體黑磷的電子結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展，證明壓力下黑磷可以從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成狄拉克半金屬。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，黑磷有望借此技術(shù)向半導(dǎo)體材料邁出重要一步，取代石墨烯也并非沒有可能。

　　黑磷的光學(xué)性能同其它半導(dǎo)體相比也有巨大優(yōu)勢，它的半導(dǎo)體帶隙是直接帶隙，即導(dǎo)帶底部和價帶頂部在同一位置，這意味著黑磷可以和光直接耦合，構(gòu)筑新一代光電器件。此外，黑磷還具有獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)的各向異性。盡管黑磷已在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，它卻存在著一個致命缺陷：缺乏穩(wěn)定性。當(dāng)接觸水和氧氣時，黑磷層片會在極短時間內(nèi)氧化進(jìn)而降解掉。這一缺陷極大地限制了黑磷的研究和工業(yè)應(yīng)用。

　　5、生物醫(yī)藥

　　中美聯(lián)合課題組在黑磷生物醫(yī)學(xué)新應(yīng)用上取得新突破，發(fā)現(xiàn)黑磷納米薄片可實(shí)現(xiàn)腫瘤的光熱治療、化療和生物響應(yīng)的三重協(xié)同治療，多模式精準(zhǔn)治療癌癥。比起傳統(tǒng)的治療方法，黑磷納米片載藥系統(tǒng)更加高效、精準(zhǔn)。黑磷納米薄片對于阿霉素的負(fù)載量顯著高于傳統(tǒng)的聚合物納米粒子載體，提高了化療藥物療效。黑鱗納米薄片在808nm激光照射下能夠產(chǎn)生局部高熱，一方面可以用于腫瘤的光熱治療，另一方面也能夠驅(qū)動藥物的釋放。

　　研究表明，黑磷載藥納米薄片在生物體內(nèi)的安全性和抑瘤效果較為明顯，試驗(yàn)驗(yàn)證了黑磷載藥納米薄片具備很好的生物相容性，研究中采用的生物響應(yīng)調(diào)節(jié)的化療—光熱治療聯(lián)合治療方法，這些多模式可精準(zhǔn)治療癌癥。目前，該研究在動物實(shí)驗(yàn)上取得突破，并在免疫缺陷的裸鼠身上取得了強(qiáng)化的抑瘤效果。