二维材料黑磷的制备、稳定性以及其功能研究
发布时间：2021-07-31 21:43
近些年来,二维材料受到了广泛的关注和研究,并在各方面的应用领域发挥着巨大作用。其中,黑磷因其独特的二维褶皱平面结构、可调节的能带结构（0.3～2.0 eV）、高达1000 cm2 v-1 s-1的载流子迁移率以及各向异性等特征,在最近几年里受到了研究人员的广泛和深入研究,实现了在场效应晶体管、光电转化器件、储能以及光催化等领域的应用,并显示出广泛的应用前景。然而,要实现更广泛和优势的应用,高效宏量的制备黑磷纳米片是关键的基础一步;同时,黑磷的环境化学稳定性较差,深入的研究黑磷降解的化学过程并从降解机理的角度提出稳定黑磷的手段同样也显得尤为重要;另外,深入研究黑磷的时间还不长（5年）,黑磷在功能应用方面值得我们进一步的去研究和探索。该论文主要是围绕着二维材料黑磷开展,工作涉及黑磷的制备、基础性质研究以及功能应用探索方面,具体包括以下几个方面:（1）发展了利用液相剪切剥离宏量制备黑磷纳米片的方法,并实现了黑磷纳米片长时间稳定储存。通过高速剪切剥离的方法,制备了微米级黑磷纳米片和黑磷纳米片分散液;在乙醇,丙酮以及N,N-二甲基甲酰胺这三种溶剂中探索了剪切剥离过程中的参数对制备的黑磷纳米片浓度...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２．?１．黑磷晶体结构示意
．．磷元素具有多种多样的单质形态，主要有白磷、红磷和黑磷这三种同素异形??体。白磷的结构是零维的匕分子结构，分子由四个磷原子构成，每个磷原子与邻??近的三个鱗原子则是通过ｓｐ轨道成键，形成四面体结构，白磷的反应性最强，??是其他磷化物的前体物质１６；红磷是一种更加稳定的非晶态一维链状大分子的结??构１７；黑磷则是其中稳定性最高的二维结构，可以参考白磷来理解黑磷的晶体结??构，黑磷的高结构稳定性归因于其正交的晶体结构。块体黑磷由许多单层黑磷通??过弱的范德华相互作用堆积形成，单层黑磷则由ｓｐ３杂化的Ｐ４单元共价连接构成，??这种ｓｐ３杂化使得单层黑磷形成起伏的六边形结构，其结构与褶皱的蜂窝结构类??似，如下图所示。这种结构具有９６．?３００°?（?０?，）和１０２．?０９５°?（?ｅ?２）两个不同??的键角，角度接近完美四方结构１０９．?５°的键角，因此，黑磷的结构稳定性大大??提高?＇?同样的，黑磷结构中存在着两种不同的键长，一种是平面键长（２．２２４??Ａ），它连接着同一平面内最近的磷原子，另一种是不同平面间磷原子之间键长??（２．?２４４?Ａ），它连接着上下两层的磷原子。相邻的两层黑磷之间的磷原子的距离??为？５．?３００?Ａ，大于共价键的长度，这表明这些层是通过范德华力而不是化学键??相互作用堆叠在一起的１９。??
?展，关于黑磷的研宄论文从２０１３年的３篇迅速增长为２０１５年的２５１篇。??黑磷具有许多二维材料家族中其他成员所没有的独特属性。如图１所展现??的，黑磷可调节的带隙（从块体的０．３?ｅＶ到单层的２．０?ｅＶ）恰好可以填补零带??隙的石墨烯８和较大带隙的过渡金属硫族化合物（１．５？２．５?ｅＶ）之间的带隙??空白区域９Ｍ２；另外，黑磷的输运性质恰好介于石墨烯和之前研宄的大多数过渡??金属硫族化合物之间，所以，黑磷在许多传统的纳米电子和纳米光子学领域有着??独特优势。此外，最令人兴奋的应用可能来自于其独特的平面内各向异性１３￣，??这为设计新概念的设备和应用提供了机会。黑磷这些特殊的性质使得它在电子器??件，光电能源转化，能源储存器件等应用方面都有着巨大的应用前景。??Ａ?Ｖｉｓｉｂｌｅ?Ｎｅａｒ－ＩＲ?ｖ?ｚ?；綠??ｖｗ＼ＫＫ／＼／＼／＼／ｉ＼??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ?（Ｈｚ）?１０１５?１０１４?１０１３?１０１２??（ＰＨｚ）?（ＴＨｚ）??■輪减擎??ＴＭＤＣ：?＾ｌ．Ｓ－２．５?ｅＶ?ＢＰ：?＾０３－２．０?ｅＶ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ：?ｚｅｒｏ－ｇａｐ??＾３?？?ｊ?ｕ?ｉ?ｎｊ?．?．?Ｊ?ｕ?ｆ?ｉ?．．．．?．｜?ｉ?ｉ?｜?ｕ?ｉ?．?．?ｊ?Ｉ?．?．?＞?ｊ?．?ｙ?ｖ?ｍ?．．?．ｊ?，?．?．?．?ｉ?ｉｕ??１〇５］?＂［９９］?１??Ｚ?１〇４］＊９８］?ｍｉ＾ＯＯ］?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ＾?＇??１０３１?［９７］?＿?［１０１?】＿?［１０２】?Ｂｌａｃｋ?Ｐ?［１?】＿?Ｕｉｔｒｏ－ｌｏｗ?ｐｏｗｅｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ?，??ｒ〇ｓ?．ｒｒ
本文编号：3314237
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２．?１．黑磷晶体结构示意
．．磷元素具有多种多样的单质形态，主要有白磷、红磷和黑磷这三种同素异形??体。白磷的结构是零维的匕分子结构，分子由四个磷原子构成，每个磷原子与邻??近的三个鱗原子则是通过ｓｐ轨道成键，形成四面体结构，白磷的反应性最强，??是其他磷化物的前体物质１６；红磷是一种更加稳定的非晶态一维链状大分子的结??构１７；黑磷则是其中稳定性最高的二维结构，可以参考白磷来理解黑磷的晶体结??构，黑磷的高结构稳定性归因于其正交的晶体结构。块体黑磷由许多单层黑磷通??过弱的范德华相互作用堆积形成，单层黑磷则由ｓｐ３杂化的Ｐ４单元共价连接构成，??这种ｓｐ３杂化使得单层黑磷形成起伏的六边形结构，其结构与褶皱的蜂窝结构类??似，如下图所示。这种结构具有９６．?３００°?（?０?，）和１０２．?０９５°?（?ｅ?２）两个不同??的键角，角度接近完美四方结构１０９．?５°的键角，因此，黑磷的结构稳定性大大??提高?＇?同样的，黑磷结构中存在着两种不同的键长，一种是平面键长（２．２２４??Ａ），它连接着同一平面内最近的磷原子，另一种是不同平面间磷原子之间键长??（２．?２４４?Ａ），它连接着上下两层的磷原子。相邻的两层黑磷之间的磷原子的距离??为？５．?３００?Ａ，大于共价键的长度，这表明这些层是通过范德华力而不是化学键??相互作用堆叠在一起的１９。??
?展，关于黑磷的研宄论文从２０１３年的３篇迅速增长为２０１５年的２５１篇。??黑磷具有许多二维材料家族中其他成员所没有的独特属性。如图１所展现??的，黑磷可调节的带隙（从块体的０．３?ｅＶ到单层的２．０?ｅＶ）恰好可以填补零带??隙的石墨烯８和较大带隙的过渡金属硫族化合物（１．５？２．５?ｅＶ）之间的带隙??空白区域９Ｍ２；另外，黑磷的输运性质恰好介于石墨烯和之前研宄的大多数过渡??金属硫族化合物之间，所以，黑磷在许多传统的纳米电子和纳米光子学领域有着??独特优势。此外，最令人兴奋的应用可能来自于其独特的平面内各向异性１３￣，??这为设计新概念的设备和应用提供了机会。黑磷这些特殊的性质使得它在电子器??件，光电能源转化，能源储存器件等应用方面都有着巨大的应用前景。??Ａ?Ｖｉｓｉｂｌｅ?Ｎｅａｒ－ＩＲ?ｖ?ｚ?；綠??ｖｗ＼ＫＫ／＼／＼／＼／ｉ＼??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ?（Ｈｚ）?１０１５?１０１４?１０１３?１０１２??（ＰＨｚ）?（ＴＨｚ）??■輪减擎??ＴＭＤＣ：?＾ｌ．Ｓ－２．５?ｅＶ?ＢＰ：?＾０３－２．０?ｅＶ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ：?ｚｅｒｏ－ｇａｐ??＾３?？?ｊ?ｕ?ｉ?ｎｊ?．?．?Ｊ?ｕ?ｆ?ｉ?．．．．?．｜?ｉ?ｉ?｜?ｕ?ｉ?．?．?ｊ?Ｉ?．?．?＞?ｊ?．?ｙ?ｖ?ｍ?．．?．ｊ?，?．?．?．?ｉ?ｉｕ??１〇５］?＂［９９］?１??Ｚ?１〇４］＊９８］?ｍｉ＾ＯＯ］?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ＾?＇??１０３１?［９７］?＿?［１０１?】＿?［１０２】?Ｂｌａｃｋ?Ｐ?［１?】＿?Ｕｉｔｒｏ－ｌｏｗ?ｐｏｗｅｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ?，??ｒ〇ｓ?．ｒｒ
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