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  近日，復旦大學物理學系教授晏湖根課題組采用改進的機械剝離法制備出面積相對較大（400–10000平方微米）的少層黑磷，并對其進行紅外光譜學表征，系統、深入地研究了2–15層（厚度1到8納米）黑磷的能帶結構隨著層數的演化規律（圖1(b)），并且成功實現能帶的應力調控。這項工作是國際上首次對少層黑磷的紅外光譜表征。1月6日，相關論文“Infrared Fingerprints of Few-
Layer Black Phosphorus”發表于《自然通訊》（Nature Communications）。復旦大學物理學系博士后張國偉、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，是由于它的性質往往跟三維體材料有很大不同，并且具有較好的可調控性。一般來說，這種從三維到二維性質的變化可以分為質變和量變兩種。比如，單層石墨烯中有相對論性狄拉克費米子，而石墨中沒有，這是物理性質的質變。NbSe2在二維狀態下的電荷密度波轉變溫度大大提高，這是物理性質的量變。
  黑磷是近年來關注的新型二維材料，它的性質從三維體材料到二維薄層會有很大的量變。黑磷具有獨特的晶體結構和優異的物理性能，比如帶隙高度可調，面內各向異性和較高的載流子遷移率等。理論計算表明，不論多少層黑磷，都是直接帶隙半導體，而且隨著層數的變化，黑磷的帶隙可以在很寬的范圍內進行調節。當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域，正好填補了石墨烯（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，預示著在未來的紅外光電子領域，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的量子束縛效應，在少層黑磷中，價帶和導帶發生劈裂，產生一系列子能帶，光譜學表征結果可以很好地反映這一量子化的現象。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連續的能帶。黑磷對光的吸收也表現出強烈的偏振依賴特性。研究結果表明，紅外光譜可以通過非破壞的測量方式，準確、方便地確定黑磷的層數和晶體方向。此外，晏湖根課題組通過施加單軸應力來調控黑磷的能帶結構。以6層黑磷為例，1%的單軸應力可以使其帶隙變化~23%，這一結果預示著黑磷在應力傳感領域有著廣闊的應用前景。最后，這項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于能帶結構的重要信息，比如導帶和價帶的非對稱性和載流子的屬性等。
  這項工作為少層黑磷在紅外探測器、調制器以及應力傳感器方面的應用奠定了基礎，揭示了黑磷在中、長波紅外探測器產業的巨大潛力，可為紅外夜視、衛星遙感等國防工業領域添磚加瓦。
  晏湖根長期從事二維材料光譜學，于2010年在哥倫比亞大學獲得博士學位，隨后在IBM公司工作4年。2015年初加入復旦大學物理系后，就著手少層黑磷及其它材料的光譜研究，目前已取得多項進展。相關工作得到了“青年千人”計劃、科技部重點研發計劃、“上海千人”計劃及“東方學者”項目的資助。
  原文鏈接：https://arxiv.org/abs/1607.08049