冯新亮院士课题组《Adv. Mater.》：一种增强黑磷环境稳定型和载流子迁移率的分子杂化异质结制备技术

点击蓝字关注我们

二维片层黑磷(BP)作为新型半导体材料，得益于广泛可调节的带隙( 0.3 eV-2 eV）、面内各向异性、超高的载流子迁移率(1000 cm² V^-1 s^-1) 以及从可见光到中红外范围的宽带吸收等突出特点而受到广泛关注。然而，由于二维BP表面存在大量孤对电子，导致BP极易受到空气中O₂、H₂O等氧化物的氧化作用而发生性能退化。化学修饰是一种有效提高二维BP在自然环境下稳定性的方式。例如共价化学修饰已被广泛研究应用于提高黑磷的环境稳定性。但是，这种策略直接破坏了 P-P 键，在较大程度上损害了BP的电子特性。与此对应，非共价化学修饰即通过范德华作用力可以在很大程度上保留BP的本征电子特性。然而，非共价修饰的弱相互作用很难实现对BP电子性能的调节。

近日，德累斯顿工业大学的冯新亮院士课题组在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Molecularly Engineered Black Phosphorus Heterostructures with Improved Ambient Stability and Enhanced Charge Carrier Mobility”的研究文章(DOI: 10.1002/adma.202105694). 为了提高二维BP材料在自然环境中的稳定性以及有效调节BP的电子性能，该课题组创新设计了一种BP与六氮杂苯并苯衍生物(HATs)的杂化异质结复合结构。在BP/HATs杂化异质结中，HATs作为电子受体可以有效接受BP中的孤对电子，从而引起从BP到HATs层的电子转移实现HATs分子在二维BP上的功能化修饰。在HATs分子修饰作用下BP表面电子密度降低，显著提高其在自然环境中的抗氧化性能，试验结果表明BP/HATs异质结在空气中可稳定存在长达21天。在提高BP稳定性的同时，太赫兹光谱试验揭示HATs分子还可以延长BP/HATs异质结的散射时间并且提高材料的载流子迁移率。BP/HATs异质结迁移率可达97 cm² V^-1 s^-1是无修饰BP迁移率的近三倍(35 cm² V^-1 s^-1)。采用功能性有机分子修饰形成异质结结构不仅为BP材料的功能化应用开辟了新的途径，而且提供了一种具有普适性的调控其他相似空气敏感二维半导体材料物理化学性质的有效方法。

图1. 溶液中制备 BP/HATs 杂化异质结的示意图。

图2. BP和BP/HATs异质结的形貌和成分表征。a-c) 原子力显微镜图，d-f) 选区电子衍射图，g) X射线衍射图和 h,i) BP、BP/HATNA 和 BP/HATCN 的 X射线光电子能谱图。j,k) BP/HATNA（上）和 BP/HATCN（下）的电荷密度分布图。

图3. BP和BP/HATs的稳定性测试。a-c) BP、BP/HATNA 和 BP/HATCN纳米片在空气中暴露不同天数的原子力显微镜图和d-f)拉曼光谱图。

图4. BP 和 BP/HATs的能带结构。a) BP、BP/HATNA和BP/HATCN随浓度变化(0.01-2 mg mL^-1)的能带结构图。b-d) BP、BP/HATNA 和 BP/HATCN 由计算获得的能带结构图。

图5. BP 和 BP/HATs 微观电荷载流子传输特性的太赫兹研究。a)太赫兹探针光谱示意图。b) BP、BP/HATCN 和 BP/HATNA的光电导动力学曲线。在干燥氮气环境下，样品由脉冲激光激发，其光子能量约为 3.1 eV，入射光子密度为 3.8 × 10¹² cm^-2。c)基于(b) 中数据的归一化光电导动力学曲线。d-f) BP、BP/HATNA 和 BP/HATCN 的频率分辨复合太赫兹光电导率曲线(在最大光激发后 2 ps 处测量)。实线对应于数据的 Drude-Smith 拟合。

相关链接

https://doi.org/10.1002/adma.202105694

相关进展

德累斯顿工业大学冯新亮教授课题组在碳碳共轭的二维有机聚合物上取得新进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。