黑磷的原子结构图，褶皱蜂窝结构。图片来源：Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

    二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体，比如大名鼎鼎的石墨烯。但是石墨烯没有半导体带隙，即分隔电子导电能带（导带）和非导电能带（价带）之间的无人禁区，也就是说它难以完成导体和绝缘体之间的转换，不能实现数字电路的逻辑开与关。而同样由单原子层堆叠而成的黑磷，则具有一个半导体带隙。

    “两年前中国科技大学的陈仙辉教授告诉我他们可以生长黑磷时，当时直觉就告诉我，这有可能是一个很好的半导体材料，”张远波教授说：“果然，现在我们把黑磷做成纳米厚度的二维晶体后，发现它有非常好的半导体性质，这样就有可能用在未来的集成电路里。”他们发现黑磷二维晶体有良好的电子迁移率（~1000cm2/Vs），还有非常高的漏电流调制率（是石墨烯的10000倍），与电子线路的传统材料硅类似。

黑磷二维晶体场效应管结构图。图片来源：Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

    除了电性能优越以外，黑磷的光学性能同包括硅和硫化钼在内的其他材料相比也有巨大的优势。它的半导体带隙是直接带隙（如图）,即电子导电能带（导带）底部和非导电能带（价带）顶部在同一位置，实现从非导到导电，电子只需要吸收能量（光能），而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙，不仅需要能量(能带变化)，还要改变动量（位置变化）。这意味着黑磷和光可以直接耦合，这个特性让黑磷成为未来光电器件（例如光电传感器）的一个备选材料。可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。

直接带隙（左）和间接带隙（右）能带分布图。图片来源：www.umn.edu