黑磷传感器 黑磷来了，石墨烯您怕了么？

黑磷来了，石墨烯您怕了么？

石墨烯作为一种奇迹材料，被誉为电子产品的未来。但现在它的一个“亲戚”—黑磷，具备低成本的制造工艺，有望替代石墨烯，成为下一个新材料金矿。

黑磷

元素周期表第15位，元素符号P。黑色有金属光泽的晶体, 它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。

在过去的几年中，二维结晶体已经作为某些最令人激动的新材料，出现在人们的考虑范围内。所以材料科学家们也迫不及待地想要发现石墨烯、氮化硼、二硫化钼等物质的非凡属性。

这一集体的新成员是黑磷，磷原子在黑磷中结合在一起，形成一个二维的褶皱薄片。去年，研究人员用黑磷造出了一个场效应晶体管收音机并证明该收音机工作效果极佳。这一研究表明，黑磷能在纳米电子设备领域前景广阔。

但有一个问题，黑磷难以大批量生产，而今年年初，来自爱尔兰都柏林圣三一学院的达米安·汉隆（Damien Hanlon）和几位同伴宣称他们解决了这一问题。

这些人在他们能控制的范围内，完善了一种制造大量黑磷薄片的方法。他们还用这种新发现的方法在一些新应用上对黑磷进行了测试，比如气敏传感器、光学开关等，他们甚至用这一方法强化了复合材料，让它们更坚固。

在数量较大的形态下，黑磷包括多层，类似于石墨。因此，将单个薄片分离出来的一个方法是脱落法，就是利用思高透明胶带或其他材料让各层脱落。这是一个耗时的工作，严重限制了潜在的运用。

因此汉隆等人一直在考虑另一种办法。他们的办法是把黑磷块放进液体溶剂，然后用能将材料震开的声波冲击黑磷块。

结果是大块分离成大量薄片，团队用离心机按不同尺寸过滤这些薄片。最终留下只有几层的高质量纳米薄片。“液相脱落是一种强大的技术，能造出相当大批量的纳米薄片。”他们说。

黑磷纳米薄片可能遇到的一个问题是，遇水或遇氧气时会迅速降解。因此这一团队实现的一项进步就是，预测到某些溶剂会在薄片周围形成一个溶剂化层，防止氧或其他氧化物接触到磷。

团队用N-环己基吡咯烷酮或CHP作为溶剂，正因如此，纳米薄片出人意料地耐久。

与石墨烯相比，黑磷的巨大优势在于，黑磷具有一个自然的带隙， 物理学家可以利用这一带隙来制造晶体管收音机等电子设备。但汉隆等人表示，新发现的黑磷纳米薄片让他们还能对一些其他想法进行试验。

例如，他们把纳米薄片加到聚氯乙烯薄膜上，从而使得其强度翻一倍，拉伸韧性也增加六倍。因此，纳米薄片不仅仅是能提高强度的碳同素异形体。

他们还通过测量传输的光量，确定了纳米薄片对脉冲激光器的非线性光感应。最后发现，随着张力的增加，黑磷吸收的光量有所减少，这是一种被称为饱和吸收的属性。另外，黑磷在这一点上的表现甚至优于石墨烯。

最后，他们测量了纳米薄片遇到氨时通过纳米薄片的电流。他们发现，材料在接触氨时电阻有所增加，这可能是因为氨放出的电子能够中和黑磷薄片中的孔洞。

这一发现结果立即让黑磷成了相当不错的氨探测器。汉隆等人称，这一材料探测氨的水平可以达到约十亿分之八十。

这些成绩标志着黑磷相关研究出现了有趣的巨变。很多人将会看到石墨烯那非凡的属性所带来的骚动，而黑磷如果能达到其一半，对材料科学家来说会是相当有意思的前景。

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中科院研制出黑磷光纤化学传感器，能超灵敏的检测重金属离子

黑磷是近年在业界广受关注的一种具有直接带隙二维半导体材料，其具有独特的二维平面结构、超高的比表面积、众多的活性位点，以及响应从可见光谱到红外光谱这广阔的范围，这在光学检测方面具有十分举足轻重的作用，如一般生产用到的检测物质成分的光谱仪，其核心部件就是光学传感器。

a)：黑磷倾斜光纤光栅器件及其光学调制示意图，b)：重金属离子检测的实验步骤，c)：不同重金属离子浓度下TM模式共振的光谱图，d)：不同重金属离子浓度下光谱的共振强度图

黑磷倾斜光纤光栅是一种新型的光纤器件，大角度倾斜光栅结构能够将纤芯光学基模前向耦合到光纤包层，在特定的波长形成一系列离散的谐振峰，光的耦合将随着外界媒质折射率等的变化而变化，因此黑磷倾斜光纤光栅非常适合作为传感应用的光子器件。

研究人员首次将黑磷和倾斜光纤光栅相结合，揭示了黑磷纳米层独特的光学调制作用，借助于倾斜光栅这种独特的光学结构，构建成新型的超灵敏化学传感器。本研究发展了一种原位层叠的修饰技术，将黑磷纳米片高效地附着在光纤器件表面，不同厚度的黑磷纳米层展现出对光信号独特的调制性。利用这一特性，该黑磷光纤传感器能够在亚ppb浓度水平检测到重金属铅离子，具有超高的灵敏度、超低的检测限，以及广阔的浓度检测范围。黑磷新型光纤传感器的成功研发，将为化学和生物传感提供一个优越的光学检测平台，从而推动黑磷化学生物传感器的应用研究进程。

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