下一個萬億市場：我們來認識下黑磷

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Insigne

電梯直達

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發表于 2017-8-30 14:53:30 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

本帖最后由 Insigne 于 2017-8-30 15:04 編輯

我們都知道，相較于傳統材料的諸多優異性能，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、發展最快、最為投資者所看好的新材料領域。

材料創新已成為推動人類文明進步的重要動力，成為一國科技發展的重要支撐。0 X; U6 m: W6 Z( P3 y/ y

為此，我國在新材料產業“十二五”發展規劃中，重點針對特種金屬功能材料、高端金屬結構材料、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域做了具體規劃，進一步促進新材料產業發展。

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據觀察，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構的黑磷也展現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、催化和生物醫學領域的巨大應用潛力引起了全世界的廣泛關注。有人更認為，黑磷將超越石墨烯，帶來下一個萬億市場。那么今天我們就簡單介紹下黒磷這種新材料，看看它究竟有何神奇之處。
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▍什么是黒磷？. B6 l$ M2 j x8 v

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黑磷具有正交結構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，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。
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黑磷在外觀、性能和結構上都很像石墨，呈現黑色、片狀，并能導電，鏈接原子呈褶皺的片狀。在層狀黑磷結構中的聲子、光子和電子表現出高度的各向異性，在電子薄膜和紅外線光電子技術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。
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黑磷光電晶體管也表現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，一種具有優良電子轉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。這種高質量、層數少的黑磷納米片可以通過液相剝離制備。
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▍黒磷能做什么？
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1、光電探測# f! V: s- _* b$ _; l: i0 ]

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，核心技術也受到國外的封鎖。0 ^0 ]6 s- t( x$ _5 s9 _9 n

針對這方面的技術挑戰，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）及相關范德華異質結，成功實現了室溫性能超越現有商用技術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域的應用邁出重要一步。

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2、新型激光器* K/ w) O5 Y9 i

由劍橋大學石墨烯中心Tawfique Hasan博士帶領的研究發現，黑磷（BP）是一種與石墨烯相似的獨特二維材料，與傳統的噴墨打印技術相兼容，使其可能成為實現首次基于BP的激光器和光電子器件的可擴展大規模制造。) [* |$ G6 t, a6 f4 L- R4 N+ r

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穩定的油墨。這樣一來，便能夠通過高速打印生產新的功能激光器和光電子器件。

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3、光伏
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中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒與中南大學冶金與環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域取得進展。研究團隊創新性地將大小僅為幾個納米的黑磷量子點應用于構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、工藝簡單且環境友好等優點，而實現太陽能電池高轉化效率的首要途徑就是盡可能提高太陽光的利用率。8 U6 Y8 g3 Q; N* x: o. g; S

團隊利用黑磷量子點的近紅外強吸收和高光電轉換能力，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染料敏化太陽能電池。電池性能測試結果表明，沉積黑磷量子點后光陰極實現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、光伏器件等領域的巨大應用潛力。
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4、半導體材料
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固體所物質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，在靜水壓調控塊體黑磷的電子結構研究方面取得重要進展，證明壓力下黑磷可以從半導體轉變成狄拉克半金屬。有業內人士預計，黑磷有望借此技術向半導體材料邁出重要一步，取代石墨烯也并非沒有可能。
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黑磷的光學性能同其它半導體相比也有巨大優勢，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域展現出巨大的應用潛力，它卻存在著一個致命缺陷：缺乏穩定性。當接觸水和氧氣時，黑磷層片會在極短時間內氧化進而降解掉。這一缺陷極大地限制了黑磷的研究和工業應用。
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5、生物醫藥: u5 }5 u- Y) y+ ?' {: Z4 x

中美聯合課題組在黑磷生物醫學新應用上取得新突破，發現黑磷納米薄片可實現腫瘤的光熱治療、化療和生物響應的三重協同治療，多模式精準治療癌癥。比起傳統的治療方法，黑磷納米片載藥系統更加高效、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，另一方面也能夠驅動藥物的釋放。9 P, ~; q k# `2 r6 U9 L6 d* m# n

研究表明，黑磷載藥納米薄片在生物體內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節的化療—光熱治療聯合治療方法，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。

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來源：激光制造網