趋利避害：晶界缺陷抑制黑磷烯电子-空穴复合

二维层状黑磷（磷烯）具有良好的光学性质和优异的电子性能、随层数可调的直接带隙以及超高的空穴迁移率等优点，在光催化和光电转换领域具有极大的应用前景。尤其是2014年第一个黑磷场效应晶体管在实验室成功问世，引发了国内外黑磷的研究热潮。

黑磷单晶不易制备，通常得到的是多晶薄膜，晶界缺陷不可避免。一般来讲，晶界缺陷通常缺失原子或存在“错误的”化学键，容易形成电荷复合中心，如过渡金属硫族化合物的晶界；或者是形成浅能级缺陷，如有机无机杂化钙钛矿的晶界。这两者都会加快电子-空穴复合和能量损失，降低光催化和光电转换效率。北京师范大学的龙闰教授（点击查看介绍）课题组前期的研究表明，由于黑磷中磷原子具有自修复功能，磷原子双空位形成的未饱和悬挂键不形成缺陷态，从而延缓了电荷复合（J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 653）。针对黑磷独特的几何结构，他们构建了对称型和非对称型两种晶界，结合含时密度泛函理论与非绝热动力学模拟，研究了这两种晶界对电子结构和电荷载流子动力学的影响。计算表明，两种晶界都是良性缺陷，晶界的引入使电子和空穴分布局域化，减小了非绝热耦合强度，相比于纯磷烯，非对称型晶界和对称型晶界的载流子寿命分别延长了4倍和22倍，降低了能量损失。非对称型和对称型晶界使电子和空穴分布呈现不同的局域性质——非对称型晶界形成电荷分离态，适合于光伏应用；对称性晶界使电子局域在晶界，而电子局域在其它位置，是一种优良的光催化材料。该研究工作表明，实验可以通过晶界缺陷工程调控黑磷的电子结构，制备不同的电子和光电子器件。

相关工作发表在The Journal of Physical Chemistry Letters 上，文章的第一作者是北京师范大学硕士的研究生魏雅清。

该论文作者为：Yaqing Wei and Run Long

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Grain Boundaries Are Benign and Suppress Nonradiative Electron–Hole Recombination in Monolayer Black Phosphorus: A Time-Domain Ab Initio Study

J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9, 3856, DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01654

导师介绍

龙闰

http://www.x-mol.com/university/faculty/43006