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二维黑磷的降解机制和保护方法

近年来,以石墨烯为代表的二维材料引起了广泛的关注和研究。然而,在电子器件的应用领域,材料的带隙、迁移率、开关比等特性对器件的性能具有关键作用。由于石墨烯是一种零带隙材料,导致其开关比较低,因此限制了其在纳米电子器件领域的应用;而以单层二硫化钼为代表的过渡金属二硫族化合物虽然具有半导体特性和较高的开关比,但较低的迁移率也制约了其在器件化征途上的步伐。二维黑磷作为继石墨烯和过渡金属二硫族化合物之后新兴的二维材料,同时具备可调的直接带隙、高迁移率和适度的开关比等优异性质,在纳米电子器件应用方面有着很大的潜力。


然而,二维黑磷在环境中很容易发生氧化降解,极大的制约了对二维黑磷的进一步研究和器件化应用。近几年,世界上很多研究组都在对黑磷的稳定性和保护措施开展研究,但黑磷在空气中的降解机制始终没有形成清晰的物理图像。


近日,东南大学物理系王金兰教授点击查看介绍课题组从理论计算的角度给出了二维黑磷在环境中发生降解的完整机制,并提出了利用完全氧化的黑磷来作为保护层的设想。首先,基于原子尺度的理论计算模拟,发现二维黑磷的降解机制可以分为三个步骤:1)光照下,更具反应活性的超氧根阴离子(O2-)在黑磷表面的产生;2)O2-与表面磷原子的吸附与P=O键的形成;3)水分子作用下黑磷表面P-P键的断裂分解。由于随着层数的减少,黑磷的导带底逐渐上移到O2→O2-的转变能级以上,促进了O2-的形成,这一图像能很好的解释在相同条件下二维黑磷相比于块体黑磷表面更易降解的现象。

在此基础上,王金兰教授课题组进一步提出了利用完全氧化的表面上的P-O-P键来固定表面P原子,通过打断降解机制的第三步,来达到保护二维黑磷的目的。并且,在完全氧化层的覆盖下,二维黑磷的能带结构和较高的空穴迁移率得到了很好的保留。该研究加深了对二维黑磷稳定性的理解,并为二维黑磷的保护提供了简单新颖的思路。


这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上,文章的第一作者东南大学物理系博士研究生周跫桦通讯作者陈乾老师王金兰教授


该论文作者为:Qionghua Zhou, Qian Chen*, Yilong Tong, and Jinlan Wang*

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201605168/full

Light-Induced Ambient Degradation of Few-Layer Black Phosphorus: Mechanism and Protection

Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 11437-11441, 10.1002/anie.201605168


导师介绍

王金兰教授

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


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