冯新亮Angew. Chem. Int. Ed.：带你了解神秘的黑鳞——新型光电子材料

【引言】

黑鳞(BP), 由于其前所未有的电子能带结构，单层的直接带隙可从0.3eV到2.0eV，成为了二维材料中一颗冉冉升起的新星。BP与零间隙石墨烯和半导体过渡金属二硫属元素化物相比，具有显著的优势，这种二硫族元素化物仅在单层中呈现相对较大的带隙（1.5-2.5eV）。此外，BP还具有面内各向异性，电荷载流子迁移率和优异的光学/声子特性。然而，在制备工艺上，使用透明胶带进行机械剥离已被广泛用于生产单个非常薄的原始BP片材，但具有极低的剥离收率，限制了基础到应用的过程。最近，有学者研究了用电化学分层剥离的方法来制备黑鳞。

【成果简介】

近日，德国德雷斯顿工业大学冯新亮教授 (通讯作者)等人在Angew. Chem. Int. Ed.上发布了一篇关于二维材料黑鳞的文章，题为“A Delamination Strategy for Thinly Layered Defect‐Free High‐Mobility Black Phosphorus Flakes”。本文研究了通过非水电解质中的电化学工程来证明非氧化策略可用于分解体积BP。四正丁基铵阳离子和硫酸氢根阴离子之间的相互作用促进高达78％的脱落产率和高达20.6μm的大BP薄片。底部栅极和底部接触场效应晶体管(包括仅仅几层厚的单个BP薄片)表现出252±18cm2 V^-1s^-1的高空穴迁移率和显著的开/关比。这种高效和可扩展的分层方法对于开发基于BP的复合材料和光电子器件有着很大的应用前景。

【图片导读】

图1 黑鳞结构示意图

(a,b) 分层过程和反应池的示意图；

(c) 离心率对异丙醇中BP分散体浓度的影响；

(d) 嵌入阳离子与分层产率的变化图像。

图2 样品微观结构分析

(a) 插层的过程来解释机理；

(b) 不同时期的插层后，在BP阴极处的结构变形；

图3 SEM照片

(a,b) 电化学分层的BP薄片的SEM图像；

(c,d) 碳载体的低分辨率TEM图像；

(e) 相应的衍射图案；

(f,g) BP薄片的高分辨率TEM和AFM图像；

(h) 尺寸分布的直方图；

(i) AFM图像的高度分布进行统计计算。

图4 样品拉曼光谱分析

(a) 由633nm激光激发的大块BP和分离薄片的拉曼光谱；

(b) 由拉曼光谱得出的Ag1/Ag2强度比的直方图；

(c,d) BP膜的XRD和XPS谱。

图5 BP电子性质测试

(a) 基于薄层BP片的场效应晶体管；

(b) 桥接源电极和漏电极BP薄片的BP-FET沟道的AFM图像；

(c) 不同源漏极偏压的BP-FET的传输曲线；

(d) 同一个BP-FET的I-V特性；

(e) 从300至143K测量的温度依赖性转移曲线；

(f) 由13个器件获得的温度依赖性空穴迁移率。

【小结】

本文系统地研究了通过电化学策略实现大块BP晶体的有效分层。季铵阳离子在无氧条件下的阴极插层阻碍了BP片中缺陷是的形成，导致高脱落产率和剥离片的大横向尺寸。柔性正丁基链的可变垂直直径与BP层间距离溶剂化质子穿透和减少进一步增加了两个相邻BP层之间的距离，溶剂(碳酸亚丙酯)稳定剥落的片状物有效地防止其再聚集。

文献链接：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)

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