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我院乔山林博士研究团队在大面积柔性化工材料及器件制备方面取得重要进展

发布时间:2020-12-01

近日,我院乔山林博士研究团队在黑磷光电子器件方面取得重要进展,成果论文“Electrochemical Delamination of Ultralarge Few-Layer Black Phosphorus with a Hydrogen-Free Intercalation Mechanism”发表在《Advanced materials(DOI:10.1002/adma.202005815)上,这是我校首次在《Advanced materials》期刊上发表研究成果,论文第一作者为我院研究生王宁,第一通讯作者为乔山林博士。

《Advanced Materials》在google公司对八大领域(google将所有学科及方向分成八大类大学科:商业经济与管理、材料与化学、工程与计算科学、健康与医药科学、人类文学与艺术、生命与地球科学、物理与数学、社会学)所有期刊的排名中,在工程与计算科学大学科领域所有期刊中排名第一,在材料与化学大学科领域(包含材料化学,材料物理,生物材料,纳米材料,光电材料,金属材料,无机非金属材料,电子材料等与材料相关的研究领域)所有期刊中排名第四,2019年影响因子27.398,因此,业内认为是工程与计算大学科 、材料与化学大领域的顶尖期刊,在国际材料领域科研界享誉盛名,该期刊接收与材料领域相关的顶尖科研成果,其接收率只有10%-15%。

黑磷是具有正交结构且反应活性最低的磷同素异形体,在外观、性能和结构上与石墨相似,连接原子呈褶皱的片状结构。黑磷晶体具有可剥离性,剥离后的黑磷纳米片(Few-layer black phosphorus, FL-BP)是一种优良的半导体材料,具有可调的直接带隙以及层数依赖的光谱吸收,高的电子迁移率;黑磷层状结构中的声子、光子和电子表现出高度的各向异性,在薄膜电子和红外线光电子技术上有重大潜在应用价值,可用于光电探测器,以及大面积可穿戴柔性器件。黑磷纳米片的大小,制约着光电探测器等柔性电子的加工,由于缺乏可靠有效的制备手段,以及剥离后FL-BP的稳定性等问题限制,目前剥离得到的FL-BP尺寸一般小于10微米,难以展开大规模的工业应用。

乔山林团队与西北工业大学合作,以液相电化学插层技术为基础,通过阳极氧化,阴极弱路易斯酸插层,实现黑磷晶体的结构膨胀,打开片层间的范德华作用力,成功实现大面积、无损制备黑磷纳米片,一举将其制备尺寸从10微米提升至100微米以上,平均大小77.6±15.0微米,为大规模黑磷柔性器件制备提供了可靠的基础。

电化学插层过程中,调节插层剂TBA+反离子的酸度值、插层时间、工作电压以及水分含量,可以得到不同大小、层厚的黑磷纳米片。电极析氢过程中产生的H2气泡会严重影响黑磷剥离纳米片的大小以及产率。以CH3COOTBA作为插层剂,50微米以上的纳米片产率高达81%。

DFT计算显示,黑磷与插层剂TBA之间的作用力大小决定了剥离的效率,CH3COOTBA与磷原子P(001)面具有强的吸附能,可以稳定的吸附于黑磷层间;同时CH3COOTBA与磷原子P之间存在弱的电荷再分布能力,两种因素共同决定了CH3COOTBA作为插层剂可以实现大面积的片层剥离。

以剥离的FL-BP为活性层,制备FET器件,测试显示黑磷具有双极电学特征(300 K,ca. 1×10–5 mbar),7.5V电压驱动下,最大电流 Ids ="1.0" × 10–5,开关比ION/IOFF="1.2x103,空穴迁移率为76cm2V–1s–1;同时剥离的黑磷纳米片从可见光到中红外区具有快速的光响应能力。

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