“未来材料”新宠：《Science》报道钾掺杂黑磷，应用或超越石墨烯

最近，来自韩国浦项工科大学（POSTECH）的研究团队通过调节黑磷（Black phosphorus）的带隙（band gap），有效地将这种半导体材料改变成具有各向异性分散的独特状态，从而变成优秀的导体。具有这种独特性质并可进行大规模生产的黑磷，使得电子器件和光电子器件的设计和优化有了更大的灵活性。该项研究成功发表于近期的《Science》杂志。

Credit: Institute for Basic Science

要真正理解该研究小组成果的意义，首先要了解所谓“2D材料”，而要了解“2D材料”，就不得不从其代表——石墨烯说起。于2010年被发现的石墨烯被誉为一个奇迹，它比钢强度更高、质量更轻，比铜更导电，比橡胶更灵活，能够应用在各个领域，如电子、航空航天和运动。发现石墨烯的两位英国科学家，也因此获得了诺贝尔物理学奖。然而，石墨烯却有一个致命缺陷，那就是没有带隙。带隙越小，导电性越强，石墨烯的带隙为零，这导致其在自然状态下只能是一个导体，且不能改变导电性，也就是说不具有半导体的性质，也就有可能不具备半导体的广泛应用。

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黑磷是磷烯（phosphorene）的堆叠，自然状态下具有带隙。POSTECH的研究团队通过利用原位表面掺杂技术（in situ surface doping）将钾掺杂入黑磷，发现钾掺杂的黑磷具有广泛可调的带隙。通过带结构的测量和计算，研究人员发现，由于斯塔克效应（Stark effect），掺杂剂钾形成的垂直电场调节了黑磷的带隙，使其从中带隙半导体（moderate-gap semiconductor）转变成带反转半金属（band-inverted semimetal）。

POSTECH的Keun Su Kim教授（该文的通讯作者）说，“我们将钾掺杂剂的电子转移到黑磷表面，这能够限制电子并使我们能够操控这种状态。钾能产生强电场，而这正是调节黑磷带隙所需要的。”

这种改进的黑磷，性能优异且易于大规模制备，其应用潜力惊人，在“未来材料”的竞争路上有可能超越风头正盛的石墨烯。

1. http://www.sciencemag.org/content/349/6249/723
2. http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150813142552.htm