7723-14-0 / 黑磷：厚度依賴(lài)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和各向異性

黑磷：厚度依賴(lài)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和各向異性

近年來(lái)，二維納米材料獲得了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯作為第一代二維層狀材料已被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而，零帶隙和半金屬的特性極大的限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。二維過(guò)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(yùn)輸能力為其應(yīng)用帶來(lái)了新的難題。近年來(lái)，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(zhì)不僅填補(bǔ)了石墨烯和TMDs材料之間而空白，同時(shí)保持了較高的電荷遷移率、較大的光子作用及光電量子產(chǎn)率。特別是，BP獨(dú)特的褶皺狀原子排列導(dǎo)致了其獨(dú)特的各項(xiàng)異性的物理、化學(xué)性質(zhì)。BP的這些特性使其在光電、催化等領(lǐng)域成為了不可缺少的重要材料。

厚度是影響二維材料性質(zhì)的重要因素。BP的許多性質(zhì)（帶隙值、能帶排列、電荷有效質(zhì)量、光助氧化性質(zhì)等）同樣依賴(lài)于其厚度的變化。事實(shí)上，BP厚度依賴(lài)的性質(zhì)變化本質(zhì)仍是其結(jié)構(gòu)的調(diào)控。相鄰BP層之間距離，以及層內(nèi)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(yīng)引起電學(xué)和光學(xué)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(jié)構(gòu)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(shù)。

近期，南方科技大學(xué)權(quán)澤衛(wèi)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(lài)的高壓下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。通過(guò)高壓原位同步輻射X光衍射與拉曼實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(diǎn)明顯高于體材料，這主要是納米材料增強(qiáng)的表面能導(dǎo)致的。同時(shí)BP的高壓結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出明顯的厚度依賴(lài)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(nèi)，BP的厚度的降低將極大的促進(jìn)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的升高。此外，通過(guò)對(duì)晶胞參數(shù)壓縮率（Kl）的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在3 GPa以下，BP呈現(xiàn)出明顯的厚度依賴(lài)的各向異性結(jié)構(gòu)壓縮，且厚度的降低帶來(lái)的更為剛性的層間結(jié)構(gòu)。

該工作是BP在高壓下系統(tǒng)的厚度依賴(lài)結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究。通過(guò)總結(jié)BP材料厚度依賴(lài)的結(jié)構(gòu)相圖和各向異性的壓縮率，將BP的厚度-壓力-結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系，這為可控設(shè)計(jì)和制造BP器件提供了新的信息和策略。相關(guān)工作在線(xiàn)發(fā)表在A(yíng)dvanced Electronic Materials（DOI: 10.1002/aelm.201800712）上。

黑磷光學(xué)和光電子學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用綜述

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料界面研究中心李佳副研究員與喻學(xué)鋒研究員等在材料學(xué)領(lǐng)域的著名刊物Small Methods上合作發(fā)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(jié)了近幾年黑磷在光子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域的材料特性探索與器件應(yīng)用研究。

二維黑磷是近年來(lái)脫穎而出并受到廣泛關(guān)注的新型半導(dǎo)體材料。憑借優(yōu)異的光子學(xué)及光電子學(xué)材料特性，黑磷在各類(lèi)光子和光電器件應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異潛力。首先，黑磷具有靈活可調(diào)的直接帶隙，這為光電器件提供了從可見(jiàn)跨越至中紅外的寬光譜高效光電響應(yīng)。其次，從晶體管器件的遷移率和開(kāi)關(guān)比這兩個(gè)關(guān)鍵性能來(lái)考慮，黑磷填補(bǔ)了石墨烯和過(guò)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(nèi)各項(xiàng)異性對(duì)材料的電學(xué)、光學(xué)以及機(jī)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(shí)現(xiàn)光電器件新功能應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀平臺(tái)。因此，近年來(lái)針對(duì)黑磷光子學(xué)及光電子學(xué)特性的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)，已成為相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

本綜述文章首先介紹了黑磷的研究歷史及材料結(jié)構(gòu)特征，以此為基礎(chǔ)，對(duì)二維黑磷的光學(xué)基本特性包括光吸收、光致發(fā)光、光生電流、三次諧波、光生載流子動(dòng)力學(xué)以及電光調(diào)制的研究進(jìn)行了全面歸納和介紹，并討論了二維黑磷面內(nèi)各向異性帶來(lái)的新穎光子學(xué)和光電子學(xué)特性及應(yīng)用，對(duì)于黑磷相關(guān)的各類(lèi)光子學(xué)和光電子學(xué)器件應(yīng)用做了完整的概括。本文作者也基于他們對(duì)這一領(lǐng)域的理解，指出了未來(lái)二維黑磷光電應(yīng)用的前景和挑戰(zhàn)。