晏湖根课题组首次揭示少层黑磷的红外光学特性并实现能带调控
发布时间: 2017-01-07     文章作者:     访问次数: 10

    近日,我系晏湖根教授课题组采用改进的机械剥离法制备出面积相对较大(400–10000平方微米)的少层黑磷,并对其进行红外光谱学表征,系统、深入地研究了2–15层(厚度18纳米)黑磷的能带结构随着层数的演化规律(图1(b)),并且成功实现能带的应力调控。这项工作是国际上首次对少层黑磷的红外光谱表征。16日,相关论文“Infrared Fingerprints of Few-Layer Black Phosphorus”发表于《自然通讯》(Nature Communications)。我系博士后张国伟、博士生黄申洋分别为第一和第二作者,晏湖根为通讯作者。

1(a) 6层黑磷的吸收光谱,入射光的偏振角度分别为15°30°45°60°75°
90°。插图为光学跃迁示意图。(b) 黑磷的能带结构随着层数的演化规律。

    二维原子晶体材料之所以有吸引力,是由于它的性质往往跟三维体材料有很大不同,并且具有较好的可调控性。一般来说,这种从三维到二维性质的变化可以分为质变和量变两种。比如,单层石墨烯中有相对论性狄拉克费米子,而石墨中没有,这是物理性质的质变。NbSe2在二维状态下的电荷密度波转变温度大大提高,这是物理性质的量变。

    黑磷是近年来关注的新型二维材料,它的性质从三维体材料到二维薄层会有很大的量变。黑磷具有独特的晶体结构和优异的物理性能,比如带隙高度可调,面内各向异性和较高的载流子迁移率等。理论计算表明,不论多少层黑磷,都是直接带隙半导体,而且随着层数的变化,黑磷的带隙可以在很宽的范围内进行调节。当黑磷从体材料减薄至单层时,带隙从0.3 eV一直增大到1.7 eV,覆盖了从可见光到中红外的光谱区域,正好填补了石墨烯(零带隙)和过渡金属硫化物(可见光/近红外带隙)之间的空白。尤其是三个原子层厚度的黑磷,带隙约为0.8 eV,恰好与光通讯波段(1550 nm)相匹配,预示着在未来的红外光电子领域,黑磷是极具竞争力的候选材料。

    由于层与层之间的相互作用及垂直于面内的量子束缚效应,在少层黑磷中,价带和导带发生劈裂,产生一系列子能带,光谱学表征结果可以很好地反映这一量子化的现象。图1(a)中,除了最低能级之间的跃迁(E11),还可以清楚地观察到高能级之间的跃迁(E22),甚至在10层以上的黑磷中可以观察到更高能级之间的跃迁(E33,E44)。随着层数的增加,吸收峰的位置向低能方向移动,而且子能级之间的间隔越来越小,在体材料中演化为准连续的能带。黑磷对光的吸收也表现出强烈的偏振依赖特性。研究结果表明,红外光谱可以通过非破坏的测量方式,准确、方便地确定黑磷的层数和晶体方向。此外,晏湖根课题组通过施加单轴应力来调控黑磷的能带结构。以6层黑磷为例,1%的单轴应力可以使其带隙变化~23%,这一结果预示着黑磷在应力传感领域有着广阔的应用前景。最后,这项研究还观测到了少层黑磷在理论上禁止的红外跃迁,这些跃迁虽然较弱,但仍然能够给大家提供很多关于能带结构的重要信息,比如导带和价带的非对称性和载流子的属性等。

    这项工作为少层黑磷在红外探测器、调制器以及应力传感器方面的应用奠定了基础,揭示了黑磷在中、长波红外探测器产业的巨大潜力,可为红外夜视、卫星遥感等国防工业领域添砖加瓦。

    晏湖根长期从事二维材料光谱学,于2010年在哥伦比亚大学获得博士学位,随后在IBM公司工作4年。2015年初加入复旦大学物理系后,就着手少层黑磷及其它材料的光谱研究,目前已取得多项进展。相关工作得到了“青年千人”计划、科技部重点研发计划、“上海千人”计划及“东方学者”项目的资助。

(封面制图冯宇嘉)

  



【关闭窗口】