中科院深圳先進院製備出高穩定黑磷 推動在光電器件領域套用

2019-05-09 22:17:02

近日,中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒、王懷雨研發團隊在二維材料領域取得新突破,製備出高穩定性黑磷,相關工作以封面文章SurfaceCoordinationofBlackPhosphorusforRobustAirandWaterStability線上發表於化學刊物Angew.Chem.Int.Ed.(DOI:10.1002/anie.201512038)。該工作由博士後趙岳濤等人完成。

作為二維材料的典型代表,石墨烯的研發榮獲了2010年諾貝爾物理學獎,並掀起了人們研究二維材料的熱潮。然而,由於石墨稀本身沒有帶隙,限制了它在半導體工業和光學器件等領域的套用。2014年,與石墨烯一樣擁有二維層狀結構的黑磷,被視為新的超級材料,剛一出現就引起了全世界的廣泛關注。黑磷是一種天然的半導體,其帶隙寬度可調、電學性能優越,被認為有望取代矽,成為半導體工業的核心材料。黑磷的光學性能同其它半導體相比也有巨大優勢,它的半導體帶隙是直接帶隙,即導帶底部和價帶頂部在同一位置,這意味著黑磷可以和光直接耦合,構築新一代光電器件。此外,黑磷還具有獨特的力學、電學和熱學的各向異性。儘管黑磷已在多個領域展現出巨大的套用潛力,它卻存在著一個致命缺陷:缺乏穩定性。當接觸水和氧氣時,黑磷層片會在極短時間內氧化進而降解掉。這一缺陷極大地限制了黑磷的研究和工業套用。

為解決黑磷的這一“阿喀琉斯之踵”,研究團隊創造性地提出用配位化學的方法來提高黑磷的穩定性。機理研究表明,黑磷之所以穩定性差,是因為在其蜂窩狀結構中,磷原子與其它三個磷原子成鍵之後,外層仍有一對孤對電子,該孤對電子易被氧分子奪走,從而造成外層黑磷的氧化,而在有水存在的情況下,表面生成的氧化磷會迅速與水反應而降解掉,這樣暴露出來的黑磷又會繼續被氧化進而降解。從這一原理出發,研發團隊設計了一種鈦的苯磺酸酯配體,利用鈦原子的空軌道和苯磺酸酯的強吸電子效應,該配體可與黑磷的孤對電子對進行配位,從而占據孤對電子,這樣磷原子就無法再與氧氣發生反應。對比實驗表明:與未經修飾的黑磷會迅速降解不同,鈦配體修飾的黑磷能在水中和濕度高達95%的潮濕空氣中放置數日,而保持光學性能穩定。該修飾技術簡單有效,在不改變黑磷晶體結構的前提下,就能極大提高它的穩定性。而這種高穩定性黑磷的成功製備,無疑可有效推動黑磷在光電器件等領域的工業套用,還將極大促進其在能源、催化、生物醫學等領域的深入研究。該研發團隊已經在黑磷研發領域申請PCT專利1項、國家發明專利3項,並在積極推進相關技術的產業化。

該項目得到了國家自然科學基金、廣東省領軍人才計畫和深圳市孔雀團隊等項目的資助。

圖:(左)德國套用化學封面圖片;(中)鈦配體修飾的黑磷的製備;(右)未經修飾的黑磷和鈦配體修飾的黑磷的穩定性比較。

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