二维黑磷的制备及光电器件研究进展
发布时间：2020-02-24 21:24
【摘要】：黑磷有随层数可调的直接带隙和独特的各向异性结构等众多优异的性质,因此近年来受到科研人员的广泛关注。本文概述了二维黑磷的制备方法,重点综述了黑磷独特的非线性光学性质、各向异性光学性质及它在光电器件中的应用。最后,对黑磷的应用前景与一些亟待解决的问题做了简单的讨论。
【图文】：
等方式，可以较好地调控获得的片层的浓度和大校由于获得的二维材料分散在溶液中，后期进一步的修饰、涂层也较为方便。对于黑磷来说，使用有机溶剂进行液相剥离可以有效地隔绝氧气，有利于储存。Ｂｒｅｎｔ等［２５］首次报道使用液相剥离法获得二维黑磷。他们首先将黑磷的Ｎ－甲基吡咯烷酮（ＮＭＰ）溶液水浴超声（８２０Ｗ，３７ｋＨｚ）２４ｈ，期间保证温度低于３０℃，然后通过离心进一步去除较大的黑磷碎片，最终获得了淡黄色或者棕色的稳定分散体。他们所制得样品的原子力显微镜图如图２所示。Ｋａｎｇ等［２６］使用探头超声的方法在ＮＭＰ溶液中剥离出了二维黑磷，由此制得的场效应管开关比和载流子迁移率分别可以达到１０４和５０ｃｍ２／（Ｖ·ｓ）。Ｙａｓａｅｉ等［２７］考察了醇、酮、氯代有机溶剂等多类有机溶剂对黑磷的剥离效果，最终选择二甲基甲酰胺（ＤＭＦ）和二甲基亚砜（ＤＭＳＯ）作为剥离溶剂。用ＤＭＦ剥离得到的黑磷纳米片厚度大致在５．８～１１．８ｎｍ之间，还有２０％的纳米片厚度小于５ｎｍ，而用ＤＭＳＯ得到的纳米片厚度主要集中在１５～２０ｎｍ之间。Ｈａｎｌｏｎ等［２８］将黑磷的ＣＨＰ溶液探头超声５ｈ后在不同的转速下离心，得到了不同大小的黑磷纳米片，其中较大的黑磷纳米片最大径长可达１μｍ，７０％的纳米片层数小于１０。Ｇｕｏ等［２９］分别使用了加入ＮａＯＨ的ＮＭＰ标准液和纯ＮＭＰ溶液进行二维黑磷的剥离，发现加入ＮａＯＨ之后剥离效果更好，而且ＯＨ－使得制得的黑磷纳米片更加稳定。经过１８０００ｒ／ｍ
Ｐ溶液混合后，以２００Ｗ的功率超声２ｈ，期间通过冰浴维持一个较低的温度，，经过７０００ｒ／ｍｉｎ的离心之后，取出上清液，获得了黑磷量子点。透射电子显微镜（ＴＥＭ）表明黑磷量子点的平均尺寸为（４．９±１．６）ｎｍ，原子力显微镜表明量子点的平均厚度为（１．９±０．９）ｎｍ（２～６层）。Ｓｕｎ等在此基础上做出了一定的改进，将黑磷研磨后先探头超声，再水浴超声，最终离心得到的黑磷量子点横向尺寸约为２．６ｎｍ，厚度约为１．５ｎｍ［３１］，操作流程如图３所示。图３黑磷量子点制备流程［３１］Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｌａｃｋｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ［３１］２二维黑磷的光学性质及在光电器件中的应用２．１二维黑磷的非线性光学性质黑磷拥有在很宽范围内可调的直接带隙，而这恰好填补了零带隙石墨烯与宽带隙过渡金属硫化物（１．５～２．５ｅＶ）之间的空白。凭借着独特的带隙，黑磷在光学、尤其是其他二维材料难以涉及的红外和中红外波段上，有很大的应用前景。当黑磷受到能量为Ｅ的光子激发时，价带的电子吸收能量进入导带。电子受到光激发后迅速热化以建立费米－狄拉克分布，从低能量开始一个电子占据一个能量状态，在此过程中，导带的电子又会弛豫回到价带，在相对弱的激发下，两者可以保持平衡，而当激发足够强时，价带的电子激发到导带的速率会大于导带电子弛豫回价带的速率，最终导致所有能量状态都被电子占据，根据泡利不相容原理，不可能有两个电子占据同一能量状态，所以此时进一步的光吸收就受到了阻碍，发生了饱和吸收，原理如图４［３２］所示。
本文编号：2582538
【图文】：
等方式，可以较好地调控获得的片层的浓度和大校由于获得的二维材料分散在溶液中，后期进一步的修饰、涂层也较为方便。对于黑磷来说，使用有机溶剂进行液相剥离可以有效地隔绝氧气，有利于储存。Ｂｒｅｎｔ等［２５］首次报道使用液相剥离法获得二维黑磷。他们首先将黑磷的Ｎ－甲基吡咯烷酮（ＮＭＰ）溶液水浴超声（８２０Ｗ，３７ｋＨｚ）２４ｈ，期间保证温度低于３０℃，然后通过离心进一步去除较大的黑磷碎片，最终获得了淡黄色或者棕色的稳定分散体。他们所制得样品的原子力显微镜图如图２所示。Ｋａｎｇ等［２６］使用探头超声的方法在ＮＭＰ溶液中剥离出了二维黑磷，由此制得的场效应管开关比和载流子迁移率分别可以达到１０４和５０ｃｍ２／（Ｖ·ｓ）。Ｙａｓａｅｉ等［２７］考察了醇、酮、氯代有机溶剂等多类有机溶剂对黑磷的剥离效果，最终选择二甲基甲酰胺（ＤＭＦ）和二甲基亚砜（ＤＭＳＯ）作为剥离溶剂。用ＤＭＦ剥离得到的黑磷纳米片厚度大致在５．８～１１．８ｎｍ之间，还有２０％的纳米片厚度小于５ｎｍ，而用ＤＭＳＯ得到的纳米片厚度主要集中在１５～２０ｎｍ之间。Ｈａｎｌｏｎ等［２８］将黑磷的ＣＨＰ溶液探头超声５ｈ后在不同的转速下离心，得到了不同大小的黑磷纳米片，其中较大的黑磷纳米片最大径长可达１μｍ，７０％的纳米片层数小于１０。Ｇｕｏ等［２９］分别使用了加入ＮａＯＨ的ＮＭＰ标准液和纯ＮＭＰ溶液进行二维黑磷的剥离，发现加入ＮａＯＨ之后剥离效果更好，而且ＯＨ－使得制得的黑磷纳米片更加稳定。经过１８０００ｒ／ｍ
Ｐ溶液混合后，以２００Ｗ的功率超声２ｈ，期间通过冰浴维持一个较低的温度，，经过７０００ｒ／ｍｉｎ的离心之后，取出上清液，获得了黑磷量子点。透射电子显微镜（ＴＥＭ）表明黑磷量子点的平均尺寸为（４．９±１．６）ｎｍ，原子力显微镜表明量子点的平均厚度为（１．９±０．９）ｎｍ（２～６层）。Ｓｕｎ等在此基础上做出了一定的改进，将黑磷研磨后先探头超声，再水浴超声，最终离心得到的黑磷量子点横向尺寸约为２．６ｎｍ，厚度约为１．５ｎｍ［３１］，操作流程如图３所示。图３黑磷量子点制备流程［３１］Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｌａｃｋｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ［３１］２二维黑磷的光学性质及在光电器件中的应用２．１二维黑磷的非线性光学性质黑磷拥有在很宽范围内可调的直接带隙，而这恰好填补了零带隙石墨烯与宽带隙过渡金属硫化物（１．５～２．５ｅＶ）之间的空白。凭借着独特的带隙，黑磷在光学、尤其是其他二维材料难以涉及的红外和中红外波段上，有很大的应用前景。当黑磷受到能量为Ｅ的光子激发时，价带的电子吸收能量进入导带。电子受到光激发后迅速热化以建立费米－狄拉克分布，从低能量开始一个电子占据一个能量状态，在此过程中，导带的电子又会弛豫回到价带，在相对弱的激发下，两者可以保持平衡，而当激发足够强时，价带的电子激发到导带的速率会大于导带电子弛豫回价带的速率，最终导致所有能量状态都被电子占据，根据泡利不相容原理，不可能有两个电子占据同一能量状态，所以此时进一步的光吸收就受到了阻碍，发生了饱和吸收，原理如图４［３２］所示。
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