文献综述
背景介绍
纳米技术的历史可以追溯到 1959 年，著名物理学家 Richard Feynman 在美国物理学会年会上发表了一篇名为“Therersquo;s Plenty of Room at the Bottom”的著名演讲，被认为是纳米科学的开端。1974 年，另一位物理学家 Norio Taniguchi 正式提出了纳米技术的基本概念。随后，纳米科技的研究被大力提倡，纳米技术得到了迅速发展。1981 年，随着具有原子量级分辨率的扫描隧道显微镜（STM）的发明，给这一探索研究领域注入活力，纳米技术获得了飞速发展。2004 年，Novoselov 和 Geim 以石墨为原料，通过微机械剥离法制备出二维碳原子晶体的新材料—“石墨烯”。石墨烯因其独特性质引起了科学家们的广泛关注，并在世界范围内掀起了一股石墨烯的研究热。Novoselov 和 Geim 也因发现石墨烯而获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯（graphene）是从石墨结构中剥离出来的单层碳原子组成的二维蜂窝状晶体结构。这种石墨烯晶体薄膜的厚度只有 0.335 纳米，达到了理论上材料厚度的极限范围。石墨烯属于复式六角晶格，二维平面上每个碳原子呈 sp 2 杂化，并通过很强的 sigma; 键与最近邻的三个碳原子相连，形成很强的共价键，这也使得石墨烯具有超高的机械强度。相邻的碳原子间距约为 1.42 Aring;。每个碳原子还剩余一个未成键的 pi; 电子，其轨道垂直于石墨烯平面形成大 pi; 键。pi; 电子可在晶体中自由移动，使石墨烯具有良好的导电性。石墨烯具有独特的电子结构和性质。石墨烯具有高载流子迁移率，在室温下石墨烯的电子迁移率可以达到15000cm 2 V -1 s -1 ，比硅片的迁移率大 10 倍以上。而电阻率却只有 10 -6 Omega;·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。同时，石墨烯还表现出异常的量子霍尔效应，且可以在室温下观测到。此外，石墨烯是目前世界上已知最薄最轻，却也是高强度的纳米薄膜材料[13]。石墨烯几乎是完全透明的，对白光的吸收率为 2.3%，是理想的透明电极材料。而且，石墨烯具有自然界已知材料中最高的热导率，高达 5300Wm -1 K -1 ，可以用作极其优良的导热材料。
2014年，少层磷烯被成功地用机械剥离法从黑磷体材料中获得，使之成为继石墨烯后，唯一用机械剥离法制备的单元素材料黑磷是一种三维层状材料，层间有弱的范德瓦尔斯作用。科学家们对黑磷的研究可以追溯到 1960 年左右，但只是最近几年才开始研究其单层的剥离。目前剥离出最薄的结构只有双层磷烯。磷烯的成功制备立即吸引了人们大量的关注。 单层的磷烯也是蜂窝状晶体结构，每个磷原子与近邻的三个磷原子形成共价键。但不同于石墨的平面结构，磷烯是一个特殊的脊状褶皱结构。磷原子以锯齿形链（zigzag 链）上下层交替排列，其上下层原子的间距约为2.1 Aring;。单层磷烯通过层间范德瓦耳斯力作用以AB堆积方式堆积，相邻层间距约为 5.5 Aring;。
我们知道，石墨烯的零带隙限制了它在下一代纳米电子学的应用。与半金属性的石墨烯不同，磷烯是一个直接带隙的半导体，其带隙大小随层数的改变而改变。五层磷烯的带隙约为 0.59 eV，随层数减到一层而增大至约为 1.51 eV。而且相比于同样具有直接带隙的单层二硫化钼，磷烯是由单种元素组成的，因而其纯样本在理论上更容易获得。另外，磷烯具有较高的载流子迁移率，大约1000cm 2 V -1 s -1 。磷烯制成的场效应晶体管的开关比也高达 10 4 。磷烯这些优越的性质使其在下一代纳米电子设备领域中展现了巨大的优势。另一方面，磷烯的特殊的褶皱结构带来了其各向异性的机械性质以及电子性质。沿着 zigzag 方向的杨氏模量约是沿着 armchair 方向杨氏模量的 4 倍。更有意思的是磷烯中电导的各向异性随着外加应变的调制而出现 90°的翻转。磷烯的这些新奇的物理性质无论对基础物理还是将来的工业化应用都有着非常重要的意义，从而使之有望成为下一个低维体系纳米材料的研究热点。
另一方面，材料在生产制备以及后处理加工过程中不可避免地会产生缺陷，这些缺陷对材料的电子、光学、机械性质等产生重大影响，因此也引起了科学工作者的极大兴趣。比如，人们在对石墨烯中缺陷的研究发现空位缺陷、拓扑缺陷、带边和带边氢吸附等可以在石墨烯与石墨带中诱导出磁性。对于二维层状纳米材料，由于维度的降低，其缺陷类型相比三维体材料有所减少，主要有点缺陷和线缺陷。常见的点缺陷包括Stone-Wales缺陷、空位缺陷等，线缺陷包括位错、晶界[65-67]等。关于石墨烯的晶界有大量的理论和实验的研究，如由五、六、七元环组成的拓扑晶界使石墨烯强度随缺陷浓度发生反常变化。另外，由一个八边形和一对五边形sp2杂化碳原子环组成的周期性的拓扑线缺陷沿着缺陷方向具有金属性。
和石墨烯相比，由于磷烯特殊的各向异性的褶皱结构，从而可能带来其晶界结构更高的复杂性。B. I. Yakobson研究组从理论上预测了由不同的（1, 0）位错核最紧密堆积方式组成的三种晶界以及两个沿着特殊方向的晶界结构。通过对电子结构的计算发现这些晶界并不会产生带隙态，从而可以避免由于晶界的引入而影响磷烯光电子器件的性能。而对于磷烯中其他的晶界结构的稳定性以及其对电子性质的影响仍然需要进一步的研究。
参考文献
[1] R. Birringer, H. Gleiter, H.-P. Klein and P. Marquardt, Phys. Rev. Lett. 102,
