下一個萬億市場：今天我們來認識下黒磷

　　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，重點針對特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進高分子材料、新型無機非金屬材料、高性能復合材料以及前沿新材料等領(lǐng)域做了具體規(guī)劃，進一步促進新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　據(jù)觀察，在眾多新材料中，石墨烯被譽為“黑金”和“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，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)出卓越的電學和光學特性，被視為新的超級材料，其在光電器件、催化和生物醫(yī)學領(lǐng)域的巨大應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、光學雷達等方面獲得越來越廣泛的應用，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，但是器件的比探測率偏低、響應時間慢，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)，南京大學物理學院繆峰教授(點擊查看介紹)課題組及科研合作團隊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)域的應用邁出重要一步。

　　2、新型激光器

　　由劍橋大學石墨烯中心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，使其可能成為實現(xiàn)首次基于BP的激光器和光電子器件的可擴展大規(guī)模制造。

　　來自劍橋、倫敦帝國理工學院、芬蘭阿爾托大學、北京航空航天大學以及浙江大學的跨學科科學家團隊精心優(yōu)化了BP的化學成分，以便通過復雜和競爭的流體效應的平衡來實現(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

　　中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員喻學鋒與中南大學冶金與環(huán)境學院副教授楊英以及物理與電子學院副教授肖思等合作，在黑磷光伏器件應用領(lǐng)域取得進展。研究團隊創(chuàng)新性地將大小僅為幾個納米的黑磷量子點應用于構(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，而實現(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。

　　團隊利用黑磷量子點的近紅外強吸收和高光電轉(zhuǎn)換能力，將黑磷量子點沉積于多孔導電聚苯胺薄膜表面，制備出可紅外光響應的光陰極，與光陽極形成互補的光吸收，將器件的光吸收范圍擴展至可見-紅外波段，從而組裝成可雙面進光的準固態(tài)染料敏化太陽能電池。電池性能測試結(jié)果表明，沉積黑磷量子點后光陰極實現(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在太陽能電池、光伏器件等領(lǐng)域的巨大應用潛力。

　　4、半導體材料

　　固體所物質(zhì)計算科學研究室鄒良劍研究員與中國科技大學陳仙輝教授研究團隊以及香港大學沈順清教授合作，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展，證明壓力下黑磷可以從半導體轉(zhuǎn)變成狄拉克半金屬。有業(yè)內(nèi)人士預計，黑磷有望借此技術(shù)向半導體材料邁出重要一步，取代石墨烯也并非沒有可能。

　　黑磷的光學性能同其它半導體相比也有巨大優(yōu)勢，它的半導體帶隙是直接帶隙，即導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，黑磷還具有獨特的力學、電學和熱學的各向異性。盡管黑磷已在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，它卻存在著一個致命缺陷：缺乏穩(wěn)定性。當接觸水和氧氣時，黑磷層片會在極短時間內(nèi)氧化進而降解掉。這一缺陷極大地限制了黑磷的研究和工業(yè)應用。

　　5、生物醫(yī)藥

　　中美聯(lián)合課題組在黑磷生物醫(yī)學新應用上取得新突破，發(fā)現(xiàn)黑磷納米薄片可實現(xiàn)腫瘤的光熱治療、化療和生物響應的三重協(xié)同治療，多模式精準治療癌癥。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。黑磷納米薄片對于阿霉素的負載量顯著高于傳統(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，試驗驗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，這些多模式可精準治療癌癥。目前，該研究在動物實驗上取得突破，并在免疫缺陷的裸鼠身上取得了強化的抑瘤效果。