馮新亮Angew. Chem. Int. Ed.：帶你了解神秘的黑鱗——新型光電子材料

【引言】

黑鱗(BP), 由于其前所未有的電子能帶結構，單層的直接帶隙可從0.3eV到2.0eV，成為了二維材料中一顆冉冉升起的新星。BP與零間隙石墨烯和半導體過渡金屬二硫屬元素化物相比，具有顯著的優勢，這種二硫族元素化物僅在單層中呈現相對較大的帶隙（1.5-2.5eV）。此外，BP還具有面內各向異性，電荷載流子遷移率和優異的光學/聲子特性。然而，在制備工藝上，使用透明膠帶進行機械剝離已被廣泛用于生產單個非常薄的原始BP片材，但具有極低的剝離收率，限制了基礎到應用的過程。最近，有學者研究了用電化學分層剝離的方法來制備黑鱗。

【成果簡介】

近日，德國德雷斯頓工業大學馮新亮教授 (通訊作者)等人在Angew. Chem. Int. Ed.上發布了一篇關于二維材料黑鱗的文章，題為“A Delamination Strategy for Thinly Layered Defect‐Free High‐Mobility Black Phosphorus Flakes”。本文研究了通過非水電解質中的電化學工程來證明非氧化策略可用于分解體積BP。四正丁基銨陽離子和硫酸氫根陰離子之間的相互作用促進高達78％的脫落產率和高達20.6μm的大BP薄片。底部柵極和底部接觸場效應晶體管(包括僅僅幾層厚的單個BP薄片)表現出252±18cm2 V^-1s^-1的高空穴遷移率和顯著的開/關比。這種高效和可擴展的分層方法對于開發基于BP的復合材料和光電子器件有著很大的應用前景。

【圖片導讀】

圖1 黑鱗結構示意圖

(a,b) 分層過程和反應池的示意圖；

(c) 離心率對異丙醇中BP分散體濃度的影響；

(d) 嵌入陽離子與分層產率的變化圖像。

圖2 樣品微觀結構分析

(a) 插層的過程來解釋機理；

(b) 不同時期的插層后，在BP陰極處的結構變形；

圖3 SEM照片

(a,b) 電化學分層的BP薄片的SEM圖像；

(c,d) 碳載體的低分辨率TEM圖像；

(e) 相應的衍射圖案；

(f,g) BP薄片的高分辨率TEM和AFM圖像；

(h) 尺寸分布的直方圖；

(i) AFM圖像的高度分布進行統計計算。

圖4 樣品拉曼光譜分析

(a) 由633nm激光激發的大塊BP和分離薄片的拉曼光譜；

(b) 由拉曼光譜得出的Ag1/Ag2強度比的直方圖；

(c,d) BP膜的XRD和XPS譜。

圖5 BP電子性質測試

(a) 基于薄層BP片的場效應晶體管；

(b) 橋接源電極和漏電極BP薄片的BP-FET溝道的AFM圖像；

(c) 不同源漏極偏壓的BP-FET的傳輸曲線；

(d) 同一個BP-FET的I-V特性；

(e) 從300至143K測量的溫度依賴性轉移曲線；

(f) 由13個器件獲得的溫度依賴性空穴遷移率。

【小結】

本文系統地研究了通過電化學策略實現大塊BP晶體的有效分層。季銨陽離子在無氧條件下的陰極插層阻礙了BP片中缺陷是的形成，導致高脫落產率和剝離片的大橫向尺寸。柔性正丁基鏈的可變垂直直徑與BP層間距離溶劑化質子穿透和減少進一步增加了兩個相鄰BP層之間的距離，溶劑(碳酸亞丙酯)穩定剝落的片狀物有效地防止其再聚集。

文獻鏈接：A Delamination Strategy for Thinly Layered Defect‐Free High‐Mobility Black Phosphorus Flakes (Angew. Chem. Int. Ed., 15 March, 2018 , DOI: 10.1002/anie.201801265)

本文由材料人編輯部納米學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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