藍磷為什麼叫藍磷？
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開組會或許是研究生和導師最直接的交流方式，也或許是研究生階段遭遇的第一次全方位的“社會毒打”。每逢開大組會，學生總喜歡窩在會議室不引人注意的角落，導師周圍幾乎“寸草不生”，彷彿剛剛被原子彈轟過一般。只有報告人可能會心不甘情不願的前往“轟炸區”……散會之後，剛進實驗室的小白們私下吐槽一下——“總被批評結果太差，常常被懟到心態爆炸，懷疑是自己水平太渣，還是導師畫的餅太大無法消化”
（對，這就是四句單押）
，往往也能迅速拉近和師兄師姐的距離。
之所以吐槽這麼多，因為本篇故事就起源於每週一次的組會。當小希心驚膽戰的在組會講完關於二維材料的若干進展之後，導師悠悠的問了一句：“藍磷為什麼叫藍磷？”“啥？”小希瞬間懵圈，這問題怎麼不按套路出牌？緊接著導師又補了一句：“為啥不叫白磷、紅磷、黑磷、紫磷？”小希的第一反應，這四個名稱已經有了啊，總不能讓別人改名吧，再說名字不就是個代號麼？就像你問我，我為什麼叫小希，不叫大希、毫希、微希、納希，我也無法回答……
白磷、紅磷、紫磷、黑磷。圖片來源：Wikipedia ［1］
轉移話題到導師更關心的課題進展上，算是解了當時的尷尬，討論完畢回到座位，小希一邊盤算著下一次講組會又要到兩個月以後，一邊偷偷的刷著手機
（注：危險操作，非專業人士請勿效仿）
。突然發現，這好像是一個有趣的問題：對呀，
藍磷為什麼叫藍磷呢？
Au（111）表面單分子藍磷生長。圖片來源：
Adv。 Mater。
［2］
磷的家族乘著二維材料的東風，近年來可謂發展壯大。早在1669年，德國的鍊金術士Henning Brandt試圖從尿液中提取黃金時，就意外的提煉出白色蠟狀固體，這種“奇妙的發光體”被稱為白磷（white phosphorus）（點選閱讀相關）。由於白磷易燃和劇毒的性質，1845年，德國人將白磷隔絕空氣加熱到250 ℃製成了紅色的固體——紅磷（red phosphorus），從此，人們開始用它來製備火柴。紫磷（violet phosphorus）最早於1865年由希托夫（Hittorf Johann Wilhelm）發現，其顏色為紫色並帶有金屬光澤，故而得名，不過其單晶結構更接近暗紅色。黑磷（black phosphorus）於1914年首次合成，是一種黑色有金屬光澤的晶體 ［3］。這些“磷”的命名很好解釋，什麼顏色，就叫什麼“磷”。
紫磷的結構和效能以及剝離。圖片來源：
Angew。 Chem。 Int。 Ed
。 ［4］
2014年黑磷作為2D材料家族的新成員被重新發現 ［5］，其高載流子遷移率和中等的帶隙，填補了石墨烯和二維過渡金屬硫化物（TMDs）之間的鴻溝，進一步激發了人們對一類由磷原子構成的新型二維材料——二維磷烯同素異形體的研究興趣。
黑磷結構示意圖。圖片來源：
Nat。 Nanotechnol。
［5］
其中，β-P，也就是本文的主角“藍磷”（間接帶隙≈2 eV）被最先預測出來［6］，並隨之掀起了一陣理論預測的熱潮。包括同樣是褶皺的六邊形蜂窩狀結構，如γ-P（間接帶隙0。5 eV）［7］、δ-P（直接帶隙0。45 eV）［7］、λ-P（俗稱綠磷，直接帶隙2。4 eV）［8］、和紅磷烯（間接帶隙1。96 eV）［9］等；以及非蜂窩結構，如ε‐P、ζ‐P、η‐P、θ‐P、αε‐P、βε‐P、γε-P、δε-P1和δε-P2等 ［10］。
α-P、β-P、γ-P、δ-P結構示意圖。圖片來源：
Phys。 Rev。 Lett
。 ［6］
藍磷為什麼叫藍磷呢？有俗稱的二維磷烯，其命名規則來自半導體的基本能帶理論。價帶中的電子如果獲得足夠的能量，就可以嚮導帶躍遷，或者導帶中的電子向價帶躍遷，與空穴複合。因此，導帶底與價帶頂之間的能量差稱為禁頻寬度，又名帶隙。帶隙能量
E
g可以利用如下公式計算：
其中，
h
是普朗克常數，
c
是光速，
λ
是吸收波長閾值。帶入公式不難發現，藍磷的帶隙波長620 nm，正好在藍光範圍，而綠磷的帶隙波長517 nm，正好在綠光範圍。
藍磷、黑磷和綠磷結構示意圖。圖片來源：
J。 Phys。 Chem。 Lett
。 ［8］
其實，藍磷和黑磷的血緣關係非常近，透過在不改變區域性鍵角的情況下將特定的磷原子從“向下”翻轉變成“向上”的位置，在黑磷單層中引入位錯，使每四排磷原子發生這種轉變，就會使黑磷結構轉化為藍磷。
藍磷和黑磷的層狀結構。圖片來源：
Phys。 Rev。 Lett。
［6］
有趣的是，2016年，有課題組報道首次在Au（111）平面上生長出藍磷結構 ［11］，並測得其半導體性質，並隨後被多個課題組重複 ［12， 13］。然而，有研究透過對原子結構的準確測量，提出STM圖片中高度對稱的黑色邊界不能與完美藍磷結構匹配，並認為該結構並非藍磷，而是由9個P原子（P9）組成的三角形藍磷“島”，在島的兩側由三個Au原子連線，形成的金屬-磷網狀結構（metal-phosphorus network）［14］。可見，藍磷加入二維材料家族的道路，才剛剛開始。
金屬-磷網狀結構示意圖。圖片來源：
Matter
［13］
下次再開組會，如果同門小夥伴講到磷的家族，你也可以提問為什麼藍磷叫藍磷？看看會不會難倒他。最後祝大家，每次開組會都有所收穫，每次講組會都不會被罵。2021年了，大家加油~
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（本文由
小希
供稿）
