二维黑磷在暗环境下的水催化氧化

近年来，以石墨烯和过渡金属二硫族化合物为代表的二维材料作为潜在的新一代电子器件材料受到广泛的关注。然而，石墨烯受限于其半金属特性，开关性能较差。二硫化钼等过渡金属二硫族化合物虽然开关性能较高，但是较低的迁移率以及费米能级钉扎效应严重限制了其器件性能。二维黑磷作为一种新型的二维材料拥有优异的半导体特性，包括较高的载流子迁移率、双极性输运特性以及可调的直接带隙，在纳米光电子学方面具有广阔的应用前景。但二维黑磷在空气中并不十分稳定，严重制约了其应用前景。近些年，许多课题组致力于研究二维黑磷的氧化机制，以期为制备空气稳定的黑磷器件奠定理论基础。以往的工作已证明二维黑磷和纯氧气之间存在较高的氧化势垒，光诱导的氧化机制已从理论^{1, 2}和实验^{3, 4}方面进行了深入的探索，但是在潮湿的暗环境下，二维黑磷是否会氧化却始终没有清晰的物理成像和实验证据。

近日，新加坡国立大学的陈伟教授（点击查看介绍）和东南大学的王金兰教授（点击查看介绍）合作，将实验和理论相结合，发现了二维黑磷在暗环境下氧化的直接证据，并提出了一种全新的氧化机制，即水催化氧化的过程。首先，他们通过原位曝气的场效应管测量和光电子能谱实验，从实验上证明了在水氧共存气氛的暗环境下，二维黑磷会发生氧化。作为对照，在纯氧或者纯水的暗环境下，二维黑磷并不会氧化。

基于该实验结果，他们进一步通过理论计算发现，水的极化效应可以有效地增加氧气分子的电子亲和势，因此诱发二维黑磷和水氧团簇之间的电荷转移，即“催化”二维黑磷的氧化。该工作加深了对二维黑磷氧化机制的理解，并为制备稳定的高性能二维黑磷器件提供了理论指导。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是新加坡国立大学物理系的博士研究生胡泽华和东南大学物理系的李强博士，通讯作者是韩成博士、王金兰教授和陈伟教授。

该论文作者为：Zehua Hu, Qiang Li, Bo Lei, Qionghua Zhou, Du Xiang, Zhiyang Lyu, Fang Hu, Junyong Wang, Yinjuan Ren, Rui Guo, Eda Goki, Li Wang, Cheng Han, Jinlan Wang and Wei Chen

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Water-Catalyzed Oxidation of Few-Layer Black Phosphorous in a Dark Environment

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9131, DOI: 10.1002/anie.20170501

导师介绍

陈伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/4358

王金兰

http://www.x-mol.com/university/faculty/31094

参考文献

1. Ziletti Angelo, et al. Oxygen defects in phosphorene, Phys. Rev. Lett., 2015, 114, 046801.

2. Zhou Qionghua, et al. Light-Induced Ambient Degradation of Few-Layer Black Phosphorus: Mechanism and Protection, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 11437.

3. Favron Alexandre, et al. Photooxidation and quantum confinement effects in exfoliated black phosphorus, Nat. Mater., 2015, 14, 826.

4. Han Cheng, et al. Oxygen induced strong mobility modulation in few-layer black phosphorus, 2D Mater., 2017, 4, 021007.