手機掃碼訪問本站
微信咨詢
近年來，二維納米材料獲得了人們的廣泛關注。石墨烯作為第一代二維層狀材料已被廣泛的應用于各個領域。然而，零帶隙和半金屬的特性極大的限制了其進一步的應用。二維過渡金屬硫化物(TMDs)雖然克服了這些缺憾，然而較大的帶隙及較低的電荷運輸能力為其應用帶來了新的難題。近年來，另一種二維納米材料黑磷（BP）逐漸被人們所重視。它的帶隙性質不僅填補了石墨烯和TMDs材料之間而空白，同時保持了較高的電荷遷移率、較大的光子作用及光電量子產率。特別是，BP獨特的褶皺狀原子排列導致了其獨特的各項異性的物理、化學性質。BP的這些特性使其在光電、催化等領域成為了不可缺少的重要材料。
厚度是影響二維材料性質的重要因素。BP的許多性質（帶隙值、能帶排列、電荷有效質量、光助氧化性質等）同樣依賴于其厚度的變化。事實上，BP厚度依賴的性質變化本質仍是其結構的調控。相鄰BP層之間距離，以及層內BP原子排列的微弱變化將極大的改變其層間的電子耦合、電子排布，相應引起電學和光學的改變。而外界壓力正是改變BP原子間相互距離、原子排布的有效手段。
左：BP的壓力-厚度結構相圖；中、右：171 nm和6 nm厚度的兩種BP在高壓下的晶胞體積及壓縮系數。
近期，南方科技大學權澤衛課題組選擇了厚度在71 nm和6 nm之間的BP材料，研究厚度依賴的高壓下的結構和性質變化。通過高壓原位同步輻射X光衍射與拉曼實驗發現，不同厚度的BP在高壓下的相變序列（A17相到A7相到SC相）與其體材料完全相同，但是相變壓力點明顯高于體材料，這主要是納米材料增強的表面能導致的。同時BP的高壓結構體現出明顯的厚度依賴特性（上圖）。特別是在71 nm至13 nm之間，相變壓力明顯的升高。這表明，在該厚度范圍內，BP的厚度的降低將極大的促進其結構穩定性的升高。此外，通過對晶胞參數壓縮率（Kl）的計算，發現在3 GPa以下，BP呈現出明顯的厚度依賴的各向異性結構壓縮，且厚度的降低帶來的更為剛性的層間結構。
該工作是BP在高壓下系統的厚度依賴結構性質研究。通過總結BP材料厚度依賴的結構相圖和各向異性的壓縮率，將BP的厚度-壓力-結構相互聯系，這為可控設計和制造BP器件提供了新的信息和策略。相關工作在線發表在Advanced Electronic Materials（DOI: 10.1002/aelm.201800712）上。
近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料界面研究中心李佳副研究員與喻學鋒研究員等在材料學領域的著名刊物Small Methods上合作發表了題為“Optical and Optoelectronic Properties of Black Phosphorus and Recent Photonic and Optoelectronic Applications”的綜述文章(DOI: 10.1002/smtd.201900165)，歸納總結了近幾年黑磷在光子學、光電子學領域的材料特性探索與器件應用研究。
二維黑磷是近年來脫穎而出并受到廣泛關注的新型半導體材料。憑借優異的光子學及光電子學材料特性，黑磷在各類光子和光電器件應用中表現出優異潛力。首先，黑磷具有靈活可調的直接帶隙，這為光電器件提供了從可見跨越至中紅外的寬光譜高效光電響應。其次，從晶體管器件的遷移率和開關比這兩個關鍵性能來考慮，黑磷填補了石墨烯和過渡金屬二硫化物之間的空隙，為晶體管器件提供了理想的平衡性能。不僅如此，黑磷的面內各項異性對材料的電學、光學以及機械性能等具有極大影響，從而為深入探索新穎的光電基本原理以及實現光電器件新功能應用提供了一個優秀平臺。因此，近年來針對黑磷光子學及光電子學特性的基礎研究與應用開發，已成為相關學者研究的熱點。
本綜述文章首先介紹了黑磷的研究歷史及材料結構特征，以此為基礎，對二維黑磷的光學基本特性包括光吸收、光致發光、光生電流、三次諧波、光生載流子動力學以及電光調制的研究進行了全面歸納和介紹，并討論了二維黑磷面內各向異性帶來的新穎光子學和光電子學特性及應用，對于黑磷相關的各類光子學和光電子學器件應用做了完整的概括。本文作者也基于他們對這一領域的理解，指出了未來二維黑磷光電應用的前景和挑戰。