黑砷磷（b-AsP）：二维材料的新星，开启电子与光子器件的新时代

搁浅

黑砷磷（b-AsP）：二维材料的新星，开启电子与光子器件的新时代（DOI: 10.1007/s12274-021-3974-y）

引言
在二维材料的大家庭中，黑磷（BP）因其独特的可调谐带隙、高载流子迁移率和强各向异性而备受关注。然而，科学家们并没有止步于此，通过引入同族元素砷（As），黑磷的性能得到了进一步优化，形成了一种全新的材料——黑砷磷（b-AsP）。这种材料不仅继承了黑磷的优良特性，还通过成分调控实现了更广泛的光学和电学性能。今天，我们就来深入了解一下 b-AsP 的独特魅力。

b-AsP 的结构与合成

晶体结构
黑砷磷（b-AsP）具有与黑磷相似的层状结构，由砷和磷原子通过强共价键连接而成，层与层之间通过弱范德华力聚集。这种结构赋予了 b-AsP 强烈的各向异性，使其在光学和电学性能上表现出独特的性质。随着砷含量的增加，b-AsP 的晶格常数逐渐增大，如图 1 所示。

图 1：b-AsP 晶体结构示意图（Liu et al., 2015）

合成方法
目前，b-AsP 的合成方法主要包括化学气相传输（CVT）、机械剥离、液相剥离和分子束沉积（MBD）。其中，CVT 方法因其高结晶性和良好的重复性被广泛用于制备高质量的 b-AsP 单晶。通过在高温下将红磷和灰砷与 PbI₂ 或 SnI₄ 等矿化剂混合，可以在冷端生成 b-AsP 单晶，其砷含量可调至 83%（Osters et al., 2012）。

图 2：通过 CVT 方法合成 b-AsP 单晶（Osters et al., 2012）

b-AsP 的光学与电学性能

光学性能
b-AsP 的带隙在 0.15–0.3 eV 之间，对应的红外吸收波长范围为 4.13–8.27 μm，使其在中波红外光电器件中具有巨大潜力。随着砷含量的增加，b-AsP 的带隙逐渐减小，红外吸收边发生红移，如图 3 所示。

图 3：b-AsP 的红外吸收曲线（Liu et al., 2015）

此外，b-AsP 还表现出明显的各向异性光学吸收行为。在偏振光照射下，b-AsP 的吸收强度随偏振角度变化，最大吸收强度出现在 135° 方向（Yu et al., 2018）。

电学性能
b-AsP 的载流子迁移率极高，理论计算表明其电子迁移率可达 14,000 cm²/(V·s)（Xie et al., 2016）。实验中，基于 b-AsP 的场效应晶体管（FET）展现出优异的双极性传输特性，空穴迁移率高达 307 cm²/(V·s)（Long et al., 2017）。这种高迁移率使得 b-AsP 在高性能电子器件中具有广阔的应用前景。

图 4：b-AsP 的电学性能

b-AsP 的应用前景

中波红外光电探测器
b-AsP 的窄带隙使其在中波红外光探测领域表现出色。实验表明，基于 b-AsP 的光电探测器在 3–5 μm 波长范围内具有超过 4.9 × 10⁹ Jones 的高探测率（Miao et al., 2017）。这种高性能探测器在红外成像和气体检测等领域具有重要应用价值。

场效应晶体管（FET）
b-AsP 的高载流子迁移率使其在 FET 器件中展现出优异的性能。实验中，b-AsP FET 的空穴迁移率可达 307 cm²/(V·s)，且表现出明显的各向异性（Long et al., 2017）。这种各向异性使得 b-AsP FET 在高性能计算和低功耗应用中具有独特优势。

锂离子电池
b-AsP 的高比表面积和独特的层状结构使其成为锂离子电池的理想负极材料。实验表明，b-AsP 作为负极材料时，具有高比容量和良好的循环稳定性（Jin et al., 2020）。这种高性能负极材料有望推动锂离子电池技术的发展，提升电池的能量密度和使用寿命。

总结与展望
黑砷磷（b-AsP）作为一种新兴的二维材料，凭借其独特的结构和优异的光学、电学性能，在光电器件和电子器件领域展现出巨大的应用潜力。未来的研究应进一步优化 b-AsP 的合成方法，提高其结晶质量和稳定性，以推动其在高性能器件中的广泛应用。我们有理由相信，b-AsP 将在未来电子和光子技术中扮演越来越重要的角色。

参考文献
- Liu, B. L. et al. (2015). Black arsenic-phosphorus: Layered anisotropic infrared semiconductors with highly tunable compositions and properties. Adv. Mater. 27, 4423–4429.
- Osters, O. et al. (2012). Synthesis and identification of metastable compounds: Black arsenic—science or fiction? Angew. Chem., Int. Ed. 51, 2994–2997.
- Miao, F. et al. (2017). Mid-wave infrared photoconductors based on black phosphorus-arsenic alloys. ACS Nano 11, 11724–11731.
- Long, M. S. et al. (2017). Room temperature high-detectivity mid-infrared photodetectors based on black arsenic phosphorus. Sci. Adv. 3, e1700589.
- Jin, H. C. et al. (2020). Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage. Science 370, 192–197.

希望这篇文章能让你对黑砷磷（b-AsP）有更深入的了解！如果你对这个话题感兴趣，不妨点赞和分享，让我们一起探索二维材料的新世界！