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
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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
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