近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒和正高級工程師黃逸凡合作在高質(zhì)量黑磷烯制備領(lǐng)域取得新突破，相關(guān)研究成果"Rapid and scalable production of high-quality phosphorene by plasma-liquid technology"以通訊快報的形式發(fā)表在國際化學(xué)期刊Chemical Communications。論文第一作者是助理研究員黃浩，共同第一作者是博士康翼鴻，合作者包括教授朱劍豪、西班牙阿拉貢納米科學(xué)研究所教授Ricardo Ibarra 等。
黑磷烯作為一種帶隙可調(diào)的直接帶隙半導(dǎo)體二維層狀材料，在光/電子器件領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。目前，制備黑磷烯的主要方法是液相剪切/超聲剝離法，但黑磷本身楊氏模量較小，長時間剪切/超聲會導(dǎo)致磷烯片層較小和缺陷增多，且易發(fā)生氧化，從而限制黑磷烯的應(yīng)用。因此，開發(fā)出制備高質(zhì)量大尺寸黑磷烯的高效方法對于黑磷烯的應(yīng)用至關(guān)重要。不同于固體、液體和氣體，等離子體是由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài)，又被譽為“物質(zhì)的第四態(tài)”。作為一種綠色的工業(yè)技術(shù)，等離子體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料表面處理、納米材料合成以及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。但利用等離子體技術(shù)來制備黑磷烯的技術(shù)路線尚未有報道。
前期，團隊在黑磷烯液相超聲制備（Advanced Functional Materials 25 (45), 6996-7002）、離子插層（Small Methods, 1900083；Materials Horizons 6 (1), 176-181）等方向做了大量工作。在本項工作中，基于多年的黑磷烯制備經(jīng)驗和等離子體技術(shù)特色，團隊自主設(shè)計出等離子體液相制備系統(tǒng)，包括電源模塊、反應(yīng)模塊等。通過高壓電源在陽極產(chǎn)生等離子體，作用于N,N-二甲基甲酰胺溶劑，等離子體中的活性粒子將N,N-二甲基甲酰胺分子分解，分解產(chǎn)物在電場驅(qū)動下對陰極黑磷晶體進行插層，同時在層間產(chǎn)生氣體，弱化層間力，使得黑磷晶體快速膨脹，從而高效地制備出高質(zhì)量大尺寸的黑磷烯。同時由于制備時間短，此方法制備的磷烯氧化程度低，展現(xiàn)出優(yōu)良的光電響應(yīng)性能，這為黑磷烯作為高性能電子材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
上述研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院前沿重點項目、深圳市科技計劃項目等的支持。
圖：a) 等離子體液相剝離示意圖；b) 黑磷烯白光顯微鏡照片和分散液白光照片；c) 黑磷烯透射電鏡圖片；d) 黑磷烯高分辨透射電鏡圖片。