本文是一篇关于黑磷（Black Phosphorus, BP）光学和光电特性及其在光子学和光电领域应用的综述文章，由Ya Yi、Zhengbo Sun、Jia Li、Paul K. Chu和Xue-Feng Yu等作者撰写，发表于2019年的《Small Methods》期刊。文章主要回顾了黑磷作为一种新型二维半导体材料的研究进展，重点介绍了其光学特性、光电应用以及未来研究挑战与机遇。
黑磷作为一种新兴的二维半导体材料，近年来受到了广泛关注。与石墨烯和过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDS）相比，黑磷具有独特的优势。首先，黑磷的带隙从体材料的约0.3 eV到单层的约2.0 eV可调，填补了石墨烯和TMDS之间的“电磁光谱空白”。其次，黑磷在从体材料到单层时仍保持直接带隙，这使其在光-物质相互作用方面表现出色。此外，黑磷的带隙可以通过层数调控、应变工程、化学修饰和垂直电场调节等多种方式进行灵活调制，这为其在宽光谱光电探测器、电光调制器等领域的应用提供了广阔前景。
黑磷的光学特性是其应用的核心之一。文章详细介绍了黑磷在不同层数下的光学吸收、光致发光（Photoluminescence, PL）、光电流、三阶谐波产生（Third Harmonic Generation, THG）以及光载流子动力学等方面的研究进展。黑磷的光学吸收光谱表现出强烈的层数依赖性，随着层数的减少，吸收边从红外区域逐渐向可见光区域移动。此外，黑磷的光学吸收表现出显著的面内各向异性，这与其褶皱晶格结构密切相关。这种各向异性不仅影响其电学、热学和力学性质，还为新型器件设计提供了理想平台。
黑磷在光电领域的应用潜力巨大，尤其是在光电探测器、发光二极管和太阳能电池等方面。文章详细讨论了黑磷在宽光谱光电探测中的应用。黑磷的高载流子迁移率和可调直接带隙使其在从紫外到中红外的宽光谱范围内表现出优异的光电响应。例如，Buscema等人首次报道了基于黑磷的光电晶体管，其在可见光和近红外区域表现出高光响应和快速响应时间。此外，黑磷的带隙可以通过电场调控进一步扩展其探测波长范围，使其在中红外区域的应用成为可能。
黑磷与其他二维材料的异质结构（如黑磷-MoS2、黑磷-WSe2等）也展现出优异的光电性能。这些异质结构不仅提高了光电探测器的响应速度和灵敏度，还为新型逻辑光电器件的设计提供了可能。例如，黑磷与MoS2的异质结构在532 nm和1550 nm波长下分别表现出22.3 A/W和153.4 mA/W的光响应，且响应时间缩短至15 µs。此外，黑磷与石墨烯的异质结构在1.55 µm波长下表现出超高的光响应（3.3 × 10^3 A/W），这得益于石墨烯的超高载流子迁移率和黑磷的高光吸收效率。
黑磷的非线性光学特性，特别是其三阶非线性效应，使其在超快激光器中表现出色。黑磷的饱和吸收特性使其成为超快脉冲光纤激光器中的理想饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）。例如，Li等人利用黑磷纳米片作为SA，在1558.7 nm波长下实现了786 fs的超短脉冲输出。此外，黑磷的饱和吸收特性在从可见光到中红外的宽光谱范围内均表现出色，这为其在超快激光器中的应用提供了广阔前景。
尽管黑磷在光子学和光电领域展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临一些挑战。首先，缺乏可靠且高效的大规模制备技术是黑磷应用的主要障碍。目前的机械剥离和液相剥离方法难以满足大规模生产的需求，而高压合成和化学气相传输（Chemical Vapor Transport, CVT）等方法虽然能够制备高质量黑磷，但其工艺复杂且成本较高。其次，黑磷在环境中的化学不稳定性严重影响了其器件性能。尽管通过化学修饰和物理封装（如使用hBN封装）可以有效提高黑磷的稳定性，但这些方法仍难以满足大规模生产的需求。
未来研究应重点关注以下几个方面：1）开发高效、低成本的大规模黑磷制备技术，尤其是通过优化高压合成和CVT方法的工艺参数，以提高黑磷薄膜的结晶质量和电学性能；2）探索新的化学修饰和封装技术，以提高黑磷在环境中的稳定性；3）深入研究黑磷的带隙调控机制，以进一步扩展其在中红外和太赫兹波段的应用。
本文全面回顾了黑磷的光学特性和光电应用，为研究人员提供了系统性的研究框架。文章不仅总结了黑磷在光电探测器、超快激光器等领域的应用进展，还指出了当前研究中的挑战和未来研究方向。这些内容对推动黑磷在光子学和光电领域的实际应用具有重要的指导意义。