新型二维半导体：黑磷
近年来，二维晶体材料因其优越的电气特性，成为半导体材料研究的新方向。继石墨烯、二硫化钼之后，本月初，在《自然纳米技术》杂志上，复旦大学物理系张远波教授课题组发现了一种新型二维半导体材料黑磷，并成功制备了相应的场效应晶体管器件，它将有可能替代传统的硅，成为电子线路的基本材料。
黑磷的原子结构图，褶皱蜂窝结构。二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体，比如大名鼎鼎的石墨烯。
但是石墨烯没有半导体带隙，即分隔电子导电能带（导带）和非导电能带（价带）之间的无人禁区，也就是说它难以完成导体和绝缘体之间的转换，不能实现数字电路的逻辑开与关。而同样由单原子层堆叠而成的黑磷，则具有一个半导体带隙。
单层原子厚度的石墨烯的发现，标志着二维晶体作为一类可能影响人类未来电子技术的材料问世。然而二维石墨烯的电子结构中不具备能隙，在电子学应用中不能实现电流的“开”和“关”，这就弱化了其取代计算机电路中半导体开关的用途。科学家们开始探索替换材料，希望克服石墨烯的缺陷，并提出了几种可能的替换材料，如单层硅、单层锗，但这些材料在空气中都不稳定，不利于实际应用。进一步探索具有新型功能并可实际应用的二维材料具有十分重要的意义和挑战性。
“两年前中国科技大学的陈仙辉教授告诉我他们可以生长黑磷时，当时直觉就告诉我，这有可能是一个很好的半导体材料，”张远波教授说：“果然，现在我们把黑磷做成纳米厚度的二维晶体后，发现它有非常好的半导体性质，这样就有可能用在未来的集成电路里。”他们发现黑磷二维晶体有良好的电子迁移率（1000cm2Vs），还有非常高的漏电流调制率（是石墨烯的10000倍），与电子线路的传统材料硅类似。
黑磷二维晶体场效应管结构图。
f除了电性能优越以外，黑磷的光学性能同包括硅和硫化钼在内的其他材料相比也有巨大的优势。它的半导体带隙是直接带隙（如图）即电子导电能带（导带）底部和非导电能带（价带）顶部在同一位置，实现从非导到导电，电子只需要吸收能量（光能），而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙，不仅需要能量能带变化，还要改变动量（位置变化）。这意味着黑磷和光可以直接耦合，这个特性让黑磷成为未来光电器件（例如光电传感器）的一个备选材料。可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。
直接带隙（左）和间接带隙（右）能带分布图。
实验显示，当二维黑磷材料厚度小于75纳米时，其在室温下可以得r