深圳大學郭志男副教授和張晗教授NC：快速檢測二維黑磷晶體的各項異性

?【引言】

黑磷是三種磷同素異形體（紅磷/白磷/黑磷）中最穩定的一種，自從2014年以來，二維黑磷晶體的發展引起了科技工作者的廣泛關注。二維黑磷晶體是一種厚度依賴的直接帶隙半導體，其禁帶寬度可以從單層的0.3?eV變化到塊體的2?eV。并且，層狀的二維黑磷晶體材料具有非常高的電子遷移率（~200-1000?cm²V^-1s^-1）和適中的開關比（~10⁴-10⁵），導致其在電子學和光電器件具有非常廣泛的應用（例如光電二極管，光電探測器和光熱治療體系等）。和常見的二維納米材料石墨烯和二硫化鉬相比，由于二維黑磷晶體具有相互垂直的扶手椅和之字形方向，導致其具有非常明顯的面內各向異性。關于二維黑磷晶體的很多方面的各向異性已經得到了廣泛的研究，包括光學，拉曼振動，電子學，熱力學以及機械性能等。研究二維黑磷晶體材料的各向異性對于設計多功能和可控的新型二維電子，光電子和微納機械器件具有非常重要的意義。

?【成果簡介】

近日，深圳大學郭志男副教授和張晗教授針對二維黑磷晶體的各向異性原子排列結構，創新性地設計了一個水滴在黑磷晶體表面凝結的動態實驗，并運用光學顯微鏡將小水滴在黑磷晶體表面凝固的整個過程記錄下來。實驗結果表明，凝結在黑磷晶體表面的小水滴形狀為橢球形，且其長軸為二維黑磷晶體的鋸齒形方向。然而，在同樣條件下，在不具備各向異性原子排列結構的石墨烯和二硫化鉬表面所形成的小水滴為圓球形。同時，分子動力學模擬計算結果表明，水分子在沿著二維黑磷晶體鋸齒形方向具有最小的能量，結構相對穩定。而水分子在石墨烯和二硫化鉬晶體表面各個方向分布能量相差不大，因此不具備各向異性的親水性能。作者進一步利用偏振拉曼光譜驗證水滴各項異性親水性能的準確性和可靠性，采用原位拉曼光譜的特征峰的位置和強度變化以及二維黑磷晶體場發射晶體管的電學性能來驗證親水實驗對黑磷晶體的無損性。該成果以題為“Liquefaction of Water on the Surface of Anisotropic Two-dimensional Atomic Layered Black Phosphorus”（DOI: org/10.1038/s41467-019-11937-9）于2019年09月06日在線發表在國際頂級期刊Nature?Communications上。

【圖文導讀】

圖1?小水滴在少層和塊狀黑磷/石墨烯/二硫化鉬表面的分布。(a/e/i)和(b/f/j) 分別為少層黑磷/石墨烯/二硫化鉬親水實驗前和后的表面形貌圖。(c/g/k)和(d/h/l) 分別為塊狀黑磷/石墨烯/二硫化鉬親水實驗前和后的表面形貌圖。

圖 2?偏振拉曼光譜。a. 在632?nm的激光下，不同的入射角度入射激光（0~180°）的拉曼光譜圖譜；b. 不同入射角度激光的偏振拉曼光譜的A_g¹峰強度的極坐標分布情況以及其正弦擬合圖形。

圖 3 小水滴在二維黑磷晶體表面各向異性分布的原理示意圖。(a) 側視圖，(b) 俯視圖。

圖4?六種具有代表性的高對稱水在二維黑磷晶體表面的分布結構。a和b?沿著扶手椅方向，c和d沿著之字形方向，e和f沿著對角線方向；各個結構的能量差分別為a?0.104 eV/molecule,?b 0.098 eV/molecule, c 0.275/eV molecule, d 0 eV/molecule-1,e 0.123 eV/molecule, and f 0.150 eV/molecule.

圖 5?少層二維黑磷晶體的原位拉曼光譜測試。a和c少層二維黑磷晶體的光學顯微鏡圖片；b?二維黑磷納米片的拉曼光譜圖，原始的（黑線），一次水潤濕實驗（紅線），十次水潤濕實驗（藍線）；d?二維黑磷納米片的拉曼光譜圖,原始的（黑線），一次水潤濕實驗（紅線），十次水潤濕實驗（藍線）；

?【小結】

該工作首次提出了小水滴在各項異性的二維材料晶體表面各項異性的分布現象。同時該方法可用做二維材料各項異性原子排列方向快速（＜10 s）鑒定，對各項異性的光學器件、光電器件、光熱器件和納米機械器件的制備和應用具有非常重要的指導意義。

文章信息：

Jinlai Zhao, J. Z., Rui Cao, Huide Wang, Zhinan Guo*, David K. Sang, Jiaoning Tang,Dianyuan Fan, Jianqing Li & Han Zhang*. Liquefaction of water on the surface of anisotropic two-dimensional atomic layered black phosphorus.?Nature Communications, 7,(2019).

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本文由深圳大學張晗教授課題組供稿。

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