l 必要性及需求分析:

当前，人类的技术发展即将达到硅基材料的物理极限，这使得当前以硅基材料为基础的信息产业面临着巨大的发展障碍。需找高效能的新型量子材料，突破硅基材料的量子极限并延续摩尔定律，成为当前物理、化学、材料和信息科学等领域的重要前沿方向。

在新型低维晶体中，黑磷（black phosphorus）是性质相对特殊的一员。黑磷是磷的一种在常温下、空气中稳定的同素异性体，由具有和石墨相似的六角格子的原子面堆积而成的层状结构（如图1所示）。在黑磷块材中，直接能隙位于布里渊区Z点，大小为330meV；在单层黑磷中，直接能隙处于Γ点，可以达到大约0.8-1.5乃至2eV。从块材到单层，所有的黑磷都具有直接带隙，而且带隙的范围涵盖远红外到红色可见光这一对红外探测、通信工程、太阳能收集极其重要的能谱范围。可以预见黑磷光电器件的研发将可能对现代军事、通讯、能源问题产生巨大的影响。

l 目标及主要任务:

目前，世界范围内对黑磷的新奇量子特性与原型器件的研究刚刚起步，需要在基础性研究领域投入更多地研究力量，深化和拓宽这个研究方向，使之真正成为凝聚态物理中一个全新的领域。为此，现阶段的总体目标应当考虑如下几个方面：实现高质量材料的制备，通过高压和强磁场下地输运研究以及电子结构和磁结构的精密测量了解黑磷的新奇量子特性，在光电子器件和场效应管等新型原型器件研究中做出示范性产品，并在器件微型化与集成化方面攻克关键技术问题。

Ø 迁移率：>6000 cm2V-1s-1；

Ø 场效应开关比：>105；

Ø 发现两种以上的新量子现象；

l 现有工作基础:

在黑磷的研究中，值得一提的是我们2014年与复旦大学合作成功实现了少层黑磷制备的场效应管，开拓了低维材料应用的一个新的领域。如图3所示，我们与复旦大学张远波教授合作，制备出了基于具有自然能隙的极少层的黑磷单晶（所谓的phosphorene）的场效应管【Nature Nanotechnology 9, 372-377 (2014)】。通过外加电场方向的调制，可以使薄层黑磷中的费米能级从能隙中移动到价带或导带当中，从而有效地诱导出空穴型和电子型的载流子，实现“二极开关”的性能。

最近通过优化生长条件，我们得到了更高质量的黑磷样品，并利用薄层样品转移技术将薄层黑磷制备在六方氮化硼基底上，实现空穴迁移率高达3900 cm2 V-1 s-1的场效应管，并且在其中观察到了磁阻量子振荡行为（arXiv:1411:6572），如图4所示。在黑磷场效应管当中，电传导主要由黑磷和衬底氮化硼界面处空间厚度约为2nm的高迁移率二维电子气提供。通过改变外加电场方向，可以实现对载流子类型的调控，价带顶空穴和导带底电子的振荡信号显示出不同的有效质量和朗德因子。目前强磁场下的整数量子霍尔效应也已被观测到。黑磷场效应管中可由外加门电压调控的高迁移率二维电子气的实现，使这一直接带隙半导体成为一种在电子学领域有广泛应用前景的潜在热门材料。

此外，在静水压环境下对块体黑磷单晶输运性质的测量中，我们发现当压力增加到0.75 GPa，半导体行为逐渐被压制，磁阻上的量子振荡开始出现，并且表现出非常小的载流子有效质量和很低的量子极限磁场。在1.0 GPa附近载流子回旋质量小于自由电子质量的5%, 与石墨烯中的“无质量”狄拉克费米子已经很接近。在1.2GPa以上，黑磷样品金属性显著增强，正磁阻迅速上升且出现多个量子振荡频率，表明压力可能诱导了一个从窄带半导体到典型半金属的转变（in preparation）,如图4所示。对量子振荡的相位分析表明在这一半金属态中很可能存在非传统的线性色散，一部分载流子的行为非常类似于在拓扑非平凡的体系（如石墨烯、拓扑绝缘体和狄拉克半金属）中存在的狄拉克费米子。这一结果首次指出黑磷在压力下产生的半金属相可能是一个具有奇异电子结构和反常色散关系的复杂体系。

l 预期经济和社会效益:

在基础研究方面，预期3年发表10-15篇学术论文，申请2项专利，在黑磷的制备、新奇量子特性的机理与调控等方面做出突破。在应用方面，制作出晶体管、光电探测以及其他新型传感器的原型器件，设计出可替代硅基电路的新型电子电路与系统，获得自主的知识产权。

迄今二维材料的奇异世界一直被石墨烯统治着，仅石墨烯的应用就有超过7000项专利，大部分被科技巨头苹果和索尼占有。石墨烯可以说是新的硅，但并不是具有这种性质的唯一材料。石墨烯是所谓的零带隙半导体，而黑磷有带隙，因此黑磷作为可调半导体，在电子设备中或许有更多的应用：晶体管、传感器、太阳能电池、开关、电池电极等。如果我们可以生长成功高质量大尺寸黑磷薄膜，将会使黑磷的大规模应用成为现实，整个半导体工业就会发生颠覆性的革命。

l 实施方式/模式：

（1）黑磷薄膜制备工艺

目前制备黑磷单晶主要是用高压生长的方法和常压气相输运的方法。我们已经能够利用高压的方法得到了高质量的黑磷单晶，并通过改善温度梯度分布的手段有效的提高了黑磷质量。为了实现黑磷在纳米电子器件上的广泛应用，需要有制备大量少层乃至单层黑磷薄膜的方法。对于石墨烯，人们已经可以利用化学气相沉积（CVD）的方法制备大面积高质量的样品。我们将利用缓慢气相输运的方法，尝试在不同的衬底（如六方氮化硼、硅单晶等）生长少层乃至单层的大面积高质量黑磷薄膜，并且在技术成熟之后尝试生长与石墨烯以及过渡金属二硫族化合物的异质结薄膜。

   （2）黑磷新奇量子现象探索

主要将开展块体和薄膜样品上的探索，实验手段包括低温、高压、强磁场和门电压电场调节。我们将对黑磷单晶块材进行精确晶体定向后展开静水压和磁场下的输运性质研究，分析其磁阻、霍尔行为和量子振荡，探索电子结构的演化，费米面的各向异性和可能的狄拉克费米子的产生。根据目前的实验结果，黑磷块材中的直接带隙在1.2GPa以下的静水压下即被关闭，系统进入半金属相，因此通过铍铜高压腔装置（压力上限3GPa）即可以实现对黑磷块材进行相关研究所需的压力。通过对0-3GPa压力范围内黑磷在磁场下电输运性质（主要是磁阻和霍尔的量子振荡现象）的研究，可以追溯系统中费米面在外加压力调控下的连续变化情况，细致描绘出黑磷中半导体-半金属相变、电子结构拓扑转变和可能存在的其他相关量子临界现象产生和演化的过程。

另一方面，我们将通过使用不同的衬底（Si、六方氮化硼、石英以及SrTiO3等），利用胶带转移或者气相输运法制备单层黑磷烯。我们计划在高质量的黑磷薄膜上利用门电压施加电场，调节能隙和载流子浓度，探索强磁场下的分数量子霍尔效应等物性。并尝试对薄层样品进行高压强磁场下的输运测量，研究能隙的调节过程，费米面演变以及可能出现的二维狄拉克电子系统的各种奇异性质。由于薄层黑磷中的直接带隙比块体中更宽，可能需要更大的压强来实现能隙关闭、能带反转及半导体-金属转变。我们将探索利用金刚石对顶砧装置，结合改进的薄层样品制备和转移技术以及衬底精确切割技术，实现二维系统小样品的高压输运测量，探索黑磷中维度效应对压力诱导的半导体-半金属转变的影响。