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  近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授晏湖根課題組采用改進(jìn)的機(jī)械剝離法制備出面積相對較大（400–10000平方微米）的少層黑磷，并對其進(jìn)行紅外光譜學(xué)表征，系統(tǒng)、深入地研究了2–15層（厚度1到8納米）黑磷的能帶結(jié)構(gòu)隨著層數(shù)的演化規(guī)律（圖1(b)），并且成功實(shí)現(xiàn)能帶的應(yīng)力調(diào)控。這項(xiàng)工作是國際上首次對少層黑磷的紅外光譜表征。1月6日，相關(guān)論文“Infrared Fingerprints of Few-
Layer Black Phosphorus”發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士后張國偉、博士生黃申洋分別為第一和第二作者，晏湖根為通訊作者。
  二維原子晶體材料之所以有吸引力，是由于它的性質(zhì)往往跟三維體材料有很大不同，并且具有較好的可調(diào)控性。一般來說，這種從三維到二維性質(zhì)的變化可以分為質(zhì)變和量變兩種。比如，單層石墨烯中有相對論性狄拉克費(fèi)米子，而石墨中沒有，這是物理性質(zhì)的質(zhì)變。NbSe2在二維狀態(tài)下的電荷密度波轉(zhuǎn)變溫度大大提高，這是物理性質(zhì)的量變。
  黑磷是近年來關(guān)注的新型二維材料，它的性質(zhì)從三維體材料到二維薄層會有很大的量變。黑磷具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性能，比如帶隙高度可調(diào)，面內(nèi)各向異性和較高的載流子遷移率等。理論計(jì)算表明，不論多少層黑磷，都是直接帶隙半導(dǎo)體，而且隨著層數(shù)的變化，黑磷的帶隙可以在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)黑磷從體材料減薄至單層時，帶隙從0.3 eV一直增大到1.7 eV，覆蓋了從可見光到中紅外的光譜區(qū)域，正好填補(bǔ)了石墨烯（零帶隙）和過渡金屬硫化物（可見光/近紅外帶隙）之間的空白。尤其是三個原子層厚度的黑磷，帶隙約為0.8 eV，恰好與光通訊波段（1550 nm）相匹配，預(yù)示著在未來的紅外光電子領(lǐng)域，黑磷是極具競爭力的候選材料。
  由于層與層之間的相互作用及垂直于面內(nèi)的量子束縛效應(yīng)，在少層黑磷中，價(jià)帶和導(dǎo)帶發(fā)生劈裂，產(chǎn)生一系列子能帶，光譜學(xué)表征結(jié)果可以很好地反映這一量子化的現(xiàn)象。圖1(a)中，除了最低能級之間的躍遷(E11)，還可以清楚地觀察到高能級之間的躍遷(E22)，甚至在10層以上的黑磷中可以觀察到更高能級之間的躍遷(E33，E44)。隨著層數(shù)的增加，吸收峰的位置向低能方向移動，而且子能級之間的間隔越來越小，在體材料中演化為準(zhǔn)連續(xù)的能帶。黑磷對光的吸收也表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏振依賴特性。研究結(jié)果表明，紅外光譜可以通過非破壞的測量方式，準(zhǔn)確、方便地確定黑磷的層數(shù)和晶體方向。此外，晏湖根課題組通過施加單軸應(yīng)力來調(diào)控黑磷的能帶結(jié)構(gòu)。以6層黑磷為例，1%的單軸應(yīng)力可以使其帶隙變化~23%，這一結(jié)果預(yù)示著黑磷在應(yīng)力傳感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。最后，這項(xiàng)研究還觀測到了少層黑磷在理論上禁止的紅外躍遷，這些躍遷雖然較弱，但仍然能夠給大家提供很多關(guān)于能帶結(jié)構(gòu)的重要信息，比如導(dǎo)帶和價(jià)帶的非對稱性和載流子的屬性等。
  這項(xiàng)工作為少層黑磷在紅外探測器、調(diào)制器以及應(yīng)力傳感器方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，揭示了黑磷在中、長波紅外探測器產(chǎn)業(yè)的巨大潛力，可為紅外夜視、衛(wèi)星遙感等國防工業(yè)領(lǐng)域添磚加瓦。
  晏湖根長期從事二維材料光譜學(xué)，于2010年在哥倫比亞大學(xué)獲得博士學(xué)位，隨后在IBM公司工作4年。2015年初加入復(fù)旦大學(xué)物理系后，就著手少層黑磷及其它材料的光譜研究，目前已取得多項(xiàng)進(jìn)展。相關(guān)工作得到了“青年千人”計(jì)劃、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、“上海千人”計(jì)劃及“東方學(xué)者”項(xiàng)目的資助。
  原文鏈接：https://arxiv.org/abs/1607.08049