这篇Nature或许原本可以属于你,磷烯纳米带是否曾被你扔到垃圾桶?
未央 纳米人 2019-04-11

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第一作者:Mitchell C. Watts

通讯作者:Christopher A. Howard

通讯单位:伦敦大学学院(英国)

 

研究亮点:

1. 发展了一种大量制备高品质单个磷烯纳米带的全新策略。

2. 对磷烯纳米带进行了全面而细致的表征。

 

为什么要研究磷稀纳米带

磷烯是一种单元素的二维材料,根据材料的层数多少而具有不同的带隙。由于磷烯中含有两种不同的P-P键长度,其原子结构也颇有特色,从而具有各向异性的电、热、离子传导性质。理论计算预测,磷烯纳米带具有比磷烯更优异的性质。一维材料的柔性和非定向性,二维材料的高比表面积,以及二者兼具的电子限域和边缘效应综合在一起,有望产生独特的能带结构和新的应用。

 

预测表明,磷烯纳米带可能具有塞贝克效应,室温磁性,拓扑相变,大激子分裂和自旋密度波等等特性,有望在热电器件,光催化水分解,太阳能电池,电池,电子和量子信息技术等应用中大展拳脚。

 

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图1. 磷烯                

 

拟解决的关键问题

任何材料的纳米带生产都是一项重大挑战,磷烯纳米带也不例外。虽然石墨烯纳米带已有所进展,但是无法借鉴到对空气敏感的磷烯纳米带体系中。目前为止,人们曾试图通过多层黑磷的刻蚀来制造磷烯纳米带,然而,电子束雕刻并不能产生孤立的纳米带,所制备出的材料长度不超过15 nm。另一种方法是电子束光刻技术,迄今为止只生产出最小宽度约为60纳米,高度约为3 nm的带状物,表明其带隙和电子特性接近于块体黑磷的带状物,而且这种光刻技术限制颇多。

 

因此,开发一种可以批量制备、大范围精确控制尺寸的制备方法,是磷烯纳米带能够发光发热的关键问题。

 

成果简介

有鉴于此,英国伦敦大学学院Christopher A. Howard课题组报道了一种通过离子剪切块体黑磷晶体新策略,实现了大量制备高品质单个磷烯纳米带。

 

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图2. 磷烯纳米带制备过程示意图

 

要点1. 巧妙的制备方法

本文所提出的制备方法主要分为两个步骤:

1)首先,通过低温氨化方法(Li / P的摩尔比为1/8)将锂离子嵌入到块状黑磷晶体中;

2)然后,将所得化合物浸入非质子溶剂中并机械搅拌,即可产生稳定的磷烯纳米带分散液。

 

这种自上而下的工艺所制得的磷烯纳米带典型宽度为4-50 nm,主要是单层厚度,长度可达75 μm,纵横比可达1,000。纳米带是原子级扁平的单晶,仅以Z字形结晶取向排列。

 

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图3. 纳米带的TEM表征

 

要点2. 全面的表征技术

为了研究磷烯纳米带的独特性质,研究人员进行了各种表征策略。TEM用来表征其尺寸和形貌以及晶态信息等。HS-AFM用于表测量纳米带的厚度,拉曼光谱和XPS、UV-Vis等表征研究了纳米带的形成机理。

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图4. 纳米带的AFM表征

 

要点3. 合成机理的提出

作者认为,Li离子的快速嵌入导致沿Z字形方向的较长P-P键断裂,在Li-BP晶体内形成带状碎片。离子嵌入使材料带负电荷,当置于合适的极性溶剂中时,阴离子的磷烯纳米带可以溶解,超声或搅拌可以促使各条带完全分离。这种机制解释了为什么磷烯纳米带宽度均匀,独特的锯齿形排列,光滑的表面等特性。

 

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图5. 形成机理研究

 

小结

总之,这项研究提供了一种全新的高品质磷烯纳米带的合成方法,促进了对磷烯纳米带独特性质的深入研究,也为其他带状二维纳米材料的合成带来新的借鉴。

 

 二维材料学术QQ群:485981823

 

参考文献:

MitchellC. Watts, Christopher A. Howard et al. Production of phosphorene nanoribbons. Nature2019,568, 216–220.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1074-x


是不是又回想起

我也曾做过这个实验

但是后来扔到垃圾桶了

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