黑磷等二维材料的非线性光学特性研究
黑磷的电输运和光电特性研究以及电子气系统磁光电导率公式的推广
黑磷的电输运和光电特性研究以及电子气系统磁光电导率公式的推广一、研究背景及意义二、黑磷的电输运性质研究三、黑磷的光电特性研究四、电子气系统磁光电导率公式五、公式推广及实际应用六、存在的问题及解决途径七、未来研究展望一、研究背景及意义随着纳米科技的不断发展和进步，新材料研究越来越受到关注。
黑磷作为一种新型二维材料，因具有优异的电学、光学特性，受到了广泛的重视和研究。
黑磷的电输运与光电特性是其研究的重点方向之一，对于黑磷的应用和发展具有重要意义。
本研究旨在深入探讨黑磷的电输运与光学特性及磁光电导率的公式推广，以期为黑磷的实际应用提供理论基础和参考。
二、黑磷的电输运性质研究黑磷是一种六方晶系层式材料，其电输运性质与其晶体结构密切相关。
在不同方向和温度下，黑磷的电输运性能存在显著的差异，因此，对其电输运性质研究具有重要意义。
本章将从黑磷的晶体结构特点入手，详细阐述黑磷的电输运机理及其在不同方向和温度下的性能变化，为黑磷的实际应用提供理论指导。
三、黑磷的光电特性研究除了电输运特性外，黑磷还具有优异的光电学性质，这些特性是黑磷在光电子器件领域应用的重要基础。
本章首先介绍了黑磷的光学性质，然后着重探讨了黑磷的光电传感特性及其在纳米电子器件中的应用，同时，结合实验结果和理论计算，分析和探讨了光照条件对黑磷光电特性的影响规律，为黑磷的实际应用提供了理论指导和技术支持。
四、电子气系统磁光电导率公式黑磷的电输运性质与光电学性质是紧密关联的，为了探究黑磷的光电导率，本章提出了一个新的概念，即磁光电导率。
简要介绍了磁光电导率的物理意义和计算方法，同时基于电子气系统理论，提出了黑磷的磁光电导率公式，该公式直接表达了磁场、光场及载流子浓度之间的耦合关系，为黑磷的实际应用提供了理论基础。
五、公式推广及实际应用本章主要探究磁光电导率公式在实际应用中的推广和优化。
首先，针对公式推广的过程中遇到的问题，对公式进行进一步分析和优化。
其次，针对黑磷的其他电学、光学性质，综合运用公式进行实际的应用，包括黑磷的传感器、探测器等光电子器件，为黑磷的实际应用提供可能的方向。
新型二维半导体资料-黑磷
• 引言 • 黑磷的基本性质 • 黑磷的制备方法 • 黑磷在电子器件中的应用 • 黑磷在生物医学领域的应用 • 黑磷的挑战与前景 • 结论
01
引言
黑磷的发现与特性
发现
黑磷是在2014年被发现的一种新型 二维半导体材料，具有优异的电学和 光学性能。
特性
黑磷具有高电子迁移率、良好的热稳 定性和化学稳定性，以及优异的光电 性能，在微电子、光电子和新能源等 领域具有广阔的应用前景。
需要进一步研究的问题
黑磷的稳定性问题
黑磷在空气中容易氧化，影响其稳定性和实际应用。需要 深入研究如何提高黑磷的稳定性，以及探索其在不同环境 下的稳定性表现。
黑磷的可扩展性制备问题
目前黑磷的制备方法主要采用剥离法，难以实现大规模生 产和应用。需要研究新的制备方法，提高黑磷的可扩展性 和产量。
黑磷与其他材料的复合问题
为了拓展黑磷的应用领域，需要研究黑磷与其他材料的复 合结构和性能，探索其在异质结构中的功能协同作用。
THANKS
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04
黑磷在电子器件中的应用
场效应晶体管
总结词
黑磷具有优异电子传输性能和稳定性，使其成为制造高性能场效应晶体管的理想材料。
详细描述
黑磷场效应晶体管具有较高的开关比、低功耗和良好的热稳定性，适用于制造微电子设 备和集成电路。黑磷晶体管的优异性能使其在物联网、智能传感器等领域具有广阔的应
用前景。
太阳能电池
黑磷的制备方法
直接剥离法
总结词
直接剥离法是一种简单而直接的方法，通过施加机械力将块体黑磷材料逐层剥 离，得到二维黑磷片层。
详细描述
该方法利用机械力对块体黑磷材料进行剥离，如使用胶带或机械摩擦等方式， 使黑磷片层从块体中分离出来。这种方法操作简单，但得到的二维黑磷片层尺 寸较小，且厚度不易控制。
黑磷半导体光物理及应用研究进展
黑磷半导体光物理及应用研究进展
黄卫春;訾由;王梦可;胡兰萍;王云征;谢中建;仇萌;张晗
【期刊名称】《深圳大学学报（理工版）》
【年(卷),期】2024(41)3
【摘要】与其他二维材料相比,二维黑磷具有较高的载流子迁移率、宽可调带隙和面内各向异性等特点,在晶体管、光子学、光电子学、传感器、电池和催化等领域引起科学家的广泛关注.然而,黑磷在自然环境条件下的不稳定性以及大面积、高质量半导体黑磷纳米材料制备的局限性严重滞缓了其在纳米器件、催化以及生物光子学领域的快速发展.本工作总结了近年来高稳定性黑磷纳米材料的可控制备和光学性质,重点突出其在光电探测器、非线性和线性光学、光催化和生物光子学等光学应用方面的研究进展,并对黑磷在未来光电子器件、光催化以及生物光子的挑战及机遇做出相应展望.
【总页数】25页(P323-347)
【作者】黄卫春;訾由;王梦可;胡兰萍;王云征;谢中建;仇萌;张晗
【作者单位】南通大学化学化工学院;山东大学光学高等研究中心;深圳市黑磷工程实验室与二维材料光电国际合作联合实验室;中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】Q437;Q632
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5.复旦大学发现新型二维半导体材料黑磷
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二维材料黑磷的稳定性研究取得新进展
二维材料黑磷的稳定性研究取得新进展中国科学技术大学季恒星、武晓君教授组合作，在二维材料黑磷的稳定性研究方面取得进展。
研究者通过跟踪、分析黑磷在水中的分解产物和结构演化过程，结合理论计算明确了导致黑磷在水中分解的关键因素，发现了该反应动力学特征和边界优先反应特征，并基于此发现了黑磷在水中的长期、稳定保存。
相关研究结果以“Degradation Chemistry and Stabilization of Exfoliated Few-Layer Black Phosphorus in Water”为题，发表在《Journal of the American Chemical Society》（DOI: 10.1021/jacs.8b02156）上。
论文的共同第一作者为博士生张泰铭和博士生万阳阳。
黑磷是一种二维直接带隙半导体，具有优异的光电特性，但是在自然环境下极易被氧化分解。
这严重阻碍了对黑磷本征物理、化学性质的深入研究和应用开发。
截至目前，研究人员对黑磷的降解机制还未形成统一认识：一些观点认为黑磷的分解离不开光的活化，其中光、氧和水需要共同作用才能引起黑磷分解；另有观点认为氧是引起黑磷降解的主要因素而非水；还有观点却认为水是引起黑磷降解的主要因素，黑磷在水中无法稳定存在。
在该项工作中，研究者实时监测黑磷在水中的降解产物（PO23-,PO33-和PO43-）浓度和结构在不同环境下的变化规律，明确了氧作为黑磷分解的核心条件，而光照仅仅起到加速作用，发现黑磷的分解速率与层数无关，进而明确了黑磷在水中分解的准一级平行反应动力学特征。
在此基础上发现黑磷在除氧的水中，即使在光照条件下，保存15天后仅仅分解0.9 mol%。
论文的共同第一作者为博士生张泰铭和博士生万阳阳。
该项研究得到了国家自然科学基金、中科院百人计划的资助。
二维非线性光学材料
二维非线性光学材料项目简介光学信息处理是解决当前大数据处理系统在带宽、能耗、速度等瓶颈问题上的主要技术手段。
纳米尺度非线性光学材料是全光集成系统中高性能单元器件（光开关、光调制器、探测器等）的核心。
具有优异非线性光学特性，特别是非线性吸收和折射率的二维纳米半导体材料在物性、集成度、兼容性上独具优势，是构筑未来高性能全光信息系统的关键之一。
作为国际上最早开展二维材料非线性光学工作的研究者之一，在中组部、国家基金委、中科院、上海市科委等项目的资助下，我们团队在国际上率先揭示了石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷等重要二维材料的超快非线性光学特性，验证了高性能二维半导体在强激光防护光限幅器和超短脉冲激光锁模器上的重要应用，取得如下主要成果：成果一：二维半导体非线性光学效应及物理在国际上首先揭示了过渡金属硫化物、石墨烯、黑磷等重要二维半导体的非线性光学特性；证实了钼硫族二维材料的宽带非线性吸收和折射率，以及禁带调控色散效应；实现了二维半导体的非线性特性调控工程；从单层MoS2中观测到暗态激子共振巨双光子吸收效应；观测到二维半导体中的自相位调制效应、非线性折射率色散、二维材料光学特征矩阵、光致透明效应、快/慢饱和吸收效应、全光开关调控和光限幅特性、双光子吸收饱和效应等；这些原创成果为理解二维半导体非线性光学物理机理，开发高性能非线性光学器件及全光计算等集成系统应用奠定了良好的实验和理论基础。
成果二：二维半导体非线性光学材料及应用基于石墨烯、MoS2及其改性衍生材料等优异的非线性特性，实现了超短激光脉冲锁模器和强激光防护光限幅器等重要应用；合成出酞菁修饰的石墨烯宽带强激光防护光限幅材料；合成出MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等过渡金属硫化物宽波段强激光防护光限幅材料；在批量制备大尺寸、高性能二维半导体非线性光学材料和二维半导体强激光防护光限幅复合材料等方面进行了大量原创性基础研究工作。
特别是以非线性激光防护物理研究，结合高性能激光防护材料研制为基础，正在为中电53所、中航工业613所等单位的激光应用系统研制强激光防护装置，用于对某型号机载光电系统和激光雷达探测器进行防护，在宽波段、多时间尺度上对抗外部强激光的干扰和致盲，具有防护阈值低、消光比高、稳定性强等特点。
下一个市场爆发点：堪比石墨烯的“梦幻材料”黑磷
下一个市场爆发点：堪比石墨烯的“梦幻材料”黑磷
北极星输配电网讯:【摘要】作为刚刚兴起两三年的新材料，石墨烯行业尚处于资本和产业群雄逐鹿时代。
然而，另一种新型单元素二维原子晶体材料黑磷被发现，与石墨烯类似，黑磷具有诸多优异特性，故被称为比肩石墨烯的梦幻材料。
黑磷的研究和应用才刚开始，其非线性光学特性被国内外多家单位证实并应用于超快激光的产生中。
可以预见不久的将来，它将成为第二个石墨烯。
首先，我们来了解一下石墨烯和黑磷究竟是什么东西？
石墨烯(二维碳材料)
手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中，似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。
石墨烯是什么?
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈˙盖姆和康斯坦丁˙诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010 年诺贝尔物理学奖。
石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200 倍。
同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。
它是目前自然界最薄、强度最高的材料，假如用一块面积1 平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1 毫克便可以承受一只一千克的猫。
石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。
用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。
二维纳米材料黑磷的光电特性研究进展
范德 华 力作用 【７】。黑磷 独特 的褶皱结 构，使它 展现 出 性 ，在生物 医学领 域具 有其他 无机 纳米材 料不 具备 的
有别 于 其他 二维材 料 的优 异性 质和应 用 。首先 ，与 石 天 然 优 势 。 本 文 主 要 介 绍 了 黑 磷 的 几 种 制 备 方 法 ， 并
第 ３８卷 第 ４期 ２０１８年 ０８月
物 理 学 进 展
ＰＲＯＧ ＲＥＳＳ ＩＮ ＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏ１．３８ Ｎ Ｏ．４ Ａ ｕｇ． ２０１８
二维 纳 米 材 料 黑磷 的光 电特 性研 究进 展
尤 凯熹，范涛健 ，葛颜绮 ，张 晗
深 圳大学黑磷 光电Ｉ程实验 室，光电协同刨新中心，光 电Ｉ程学院
关键 词：二维材料；黑磷制备；光电特性；光电应用
中图分类号 ： ０７９９ 文献标 识码 ： Ａ
ＤＯＩ：１０．１３７２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｐｉｐ．２０１８．０４．００２
３
Ｍ ４ ４ ５ ５ ６
６ ６ ７ ７
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文章编号：１０００—０５４２（２０１８）０４—０１６３—１２
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（ａ）
尤凯熹等：二维纳 米材料 黑磷的光电特 性研究进展
（ｃ）
团
（ｂ）
Ｃ
ｂ
ｂ
ａ
Ｃ
图 １．（ａ）和 （ｂ）在 ａｃ和 平面 ｔ的 单层 ＢＰ 的投影 。上 部和下部原子 分别 以浅色和深色 呈现 。（Ｃ）品胞 的示意图 ． ￣＿１ ／－Ｊ 卡啊 邻层之间的 １ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ２单位的偏移 ［７１
分 稳 定 。层 内 具 有 较 强 的 共 价 键 ， 并 还 留 有 个 的 电 胞 中 ， 一 个 成 人 体 内就 含 有 ６００￣９００ ｇ 的磷 ， Ｉ 人 体
二维黑磷的光电特性及光电器件研究进展
第 44 卷第 6 期2023年 6 月Vol.44 No.6June, 2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE二维黑磷的光电特性及光电器件研究进展李黎嘉，丛春晓*（复旦大学信息科学与工程学院，上海 200433）摘要：中波长红外（Mid⁃wavelength infrared，MWIR）光电器件可用于热成像、光通信和气体传感等多个领域。
二维黑磷（Black phosphorus，BP）在中波长红外范围显示出独特的优点，其所有厚度下都具有直接带隙和高迁移率的特点使其在中红外光电器件应用方面具有很大的潜力。
由于皱褶的晶格结构，黑磷有较强的面内各向异性，可应用于线偏振光电器件。
此外，黑磷通过掺杂、应力调控和异质堆叠等多种方式可以实现室温下中红外波段范围内的各种功能性光电器件。
本文综述了黑磷的晶体和能带结构及其各向异性的光学性质，并结合近年来在偏振方向敏感的光电探测器和光谱可调控等功能性光电器件方面的应用研究进展，总结了该材料在实际应用中的主要优势和面临的重要问题。
最后对二维黑磷在中红外光电器件应用领域的发展趋势进行了展望。
关键词：黑磷；二维材料；中波长红外；光电器件中图分类号：O482.31； TN214 文献标识码：A DOI： 10.37188/CJL.20230015Optoelectronic Properties and Photodetection ofTwo-dimensional Black PhosphorusLI Lijia， CONG Chunxiao*（School of Information Science and Technology， Fudan University， Shanghai 200433， China）* Corresponding Author， E-mail： cxcong@Abstract：Mid-wavelength infrared （MWIR） optoelectronic devices can be used for various applications， includ⁃ing thermal imaging， optical communications， and gas sensing. Owing to the direct bandgap at all thicknesses and high carrier mobility， two-dimensional black phosphorus （BP） is promising for room-temperature mid-wavelength in⁃frared optoelectronic applications. The intrinsic crystal anisotropy of such two-dimensional material also offers an ex⁃citing opportunity for the application in linear-polarization-sensitive photodetection. Furthermore， the electronic and optical properties of black phosphorus can be effectively modulated by doping，strain and fabrication of Van der Waals heterostructures， which is advantageous to meet the numerous demands for functional optoelectronic applica⁃tions. Here we review the essential properties of two-dimensional black phosphorus and discuss the potential applica⁃tions of black phosphorus in functional mid-wavelength infrared optoelectronic devices.Finally，some of the chal⁃lenges and future outlooks of BP-based applications in mid-infrared optoelectronic devices are discussed and sug-gested.Key words：black phosphorus； two-dimensional materials； mid-wavelength infrared； optoelectronic devices文章编号： 1000-7032（2023）06-0995-11收稿日期：2023⁃01⁃30；修订日期：2023⁃02⁃16基金项目：上海市自然科学基金（20ZR1403200）；科技部重点研发计划（2018YFA0703700）；国家自然科学基金（61774040，61774042）；海外高层次引进人才青年计划Supported by Shanghai Municipal Natural Science Foundation（20ZR1403200）；National Key R&D Program of China（2018YFA0703700）； National Natural Science Foundation of China（61774040，61774042）； National Young 1000 Talent Planof China第 44 卷发光学报1 引 言中波长红外（Mid -wavelength infrared,MWIR ）光电探测器在许多领域具有重要应用，例如热成像[1]、光通信[2]、健康监测[3]和气体传感[4]。
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黑磷等二维材料的非线性光学特性研究
非线性光学是光子学的研究基础,广泛用于光信息技术、激光技术、材料分析和纳米光子技术中。
非线性光学效应是非线性光学研究的热点。
寻找具有大的非线性极化率、高损伤阈值和合适的响应时间的非线性光学材料一直是研究人员追寻的目标。
二维纳米材料具有优异的非线性光学效应,广泛用于激光器、光调制器和光开光等光电器件中,引起了科研人员的广泛关注。
石墨烯是最早发现的二维材料,具有工作带宽宽、非线性折射率大和响应时间快等优点,在激光器领域的应用已经逐渐成熟。
但是,石墨烯材料本身是零带隙的电子结构,特别是损伤阈值低、调制深度可调范围小和存在热效应等缺点限制了其在高能量激光器中的应用。
因此,科研人员进一步寻找具有宽波段饱和吸收特性、超快响应时间、低损耗阈值、大调制深度、高损伤阈值和低成本等优点的二维材料。
除了石墨烯外,拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等二维材料相继被制备出来。
这些二维材料具有不同的能带结构,展现了不同的物理、化学和电学等性质。
本文针对拓扑绝缘体和黑磷等二维材料的制备和非线性光学特性进行了系统的研究,取得了以下成果:（1）采用自下而上的实验方法制备拓扑绝缘体:硒化铋,得到了尺寸均一的双层硒化铋纳米片,厚度为3-7 nm。
实验结果表明,这种方法制备过程简单,重复率高,并且能控制硒化铋的尺寸。
这种制备超薄均匀的硒化铋纳米片的方法为其他二维材料的制备提供了新的思路,将有可能被推广到其他二维层状材料制备中。
此外,采用飞秒Z扫描技术,在800 nm波段,实验测得硒化铋在800nm和1565 nm波段具有良好的饱和吸收特性。
在800 nm,通过拟合得到硒化铋纳米片的饱和光强为32 GWcm<sup>-2</sup>,调制深度为88%。
在1565 nm,拟合得到的硒化铋纳米片的饱和光强为3.7 MWcm<sup>-2</sup>,调制深度为36%。
把双层硒化铋纳米片作为可饱和吸收体用于被动锁模激光器中,能产生中心波长为1571 nm,脉宽为579 fs,重复频率为12.54 MHz的锁模脉冲。
（2）系统研究了尺寸对黑磷材料的非线性光学性质的影响。
用液相剥离法结合分段离心技术制备三种不同尺寸的黑磷纳米片。
通过透射电子显微镜、原子力显微镜、拉曼仪器以及粒度分析仪等仪器表征这三种黑磷纳米片的形态差异。
通过Z扫描技术和泵浦-探测技术从实验上证实,黑磷纳米片的横向尺寸越小,它的三阶非线性系数越大,调制深度越大,饱和光强越小,响应时间越短。
也就说,尺寸越小的黑磷纳米片,具有更好的非线性光学性能。
我们将较小的黑磷纳米片用作光纤激光器的可饱和吸收体从而进一步证实了这一结论。
该成果可帮助科研人员根据光学性能需要选用合适尺寸的黑磷纳米片,为黑磷材料在光纤激光器和调制器等光电器件中的应用提供理论依据和实验基础。
（3）采用溶剂热方法从黑磷体材料成功制备出超小的黑磷量子点（black phosphorus quantum dots,BPQDs）,横向尺寸约为2 nm。
该制备方法不仅能够得到尺寸均一的黑磷量子点,并且能够实现大规模制备黑磷量子点,拓展了黑磷量子点在光电领域的应用。
同时,也为其他二维材料量子点的制备提供了新的方法。
此外,首次实验验证黑磷量子点材料具有比黑磷纳米片更为优异的饱和吸收特性,其调制深度高达30%左右,饱和强度在GW
cm<sup>-2</sup>量级。
将黑磷量子点作为可饱和吸收体用于锁模激光器中,在通信波段能产生产生中心波长为1567.5 nm,脉宽为1.08 ps的锁模脉冲激光。
实验结果表明黑磷量子点由于其自身的量子限定效应和边界效应,比黑磷纳米片更适用于光纤激光器,在超快光子学中具有巨大的应用潜力,有望发展成为一种新型的光学功能材料。
（4）解决了黑磷量子点在潮湿环境下容易氧化的问题。
首次提出采用静电纺丝技术,将黑磷纳米片纺在聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）纳米纤维薄膜中,形成透明均匀的BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜。
通过对比BPQDs、PMMA和BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜的红外吸收谱,发现BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜完整地保存了黑磷量子点的化学性质。
从而证明这种采用聚合物包裹黑磷量子点的方法解决了黑磷量子点在潮湿环境下容易氧化的问题。
采用飞秒Z扫描测试技术,实验证实了放置三个月的BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜同刚制备的黑磷量子点的非线性可饱和吸收特性差不多。
此外,我们还进一步用实验证实BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜具有从可见光到中红外的宽波段非线性光学特性。
最后,我们将BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜作为可饱和吸收体用在被动锁模掺铒光纤激光器中,产生了中心波长为1567.6 nm,脉宽为1.07 ps的超短脉冲。
由于BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜易制备、抗氧化和均匀透明等优点,将推
动黑磷量子点在光电器件中的广泛应用。