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第七期:媲美石墨烯的“黑马”,被寄予厚望的新型半导体——黑磷

时间:2020-11-23        来源:

说起“磷家族”,很多人都不陌生,比如能自燃放出蓝色火光的白磷,比如能当做火柴头的红磷……


“磷家族”是一群活跃分子,他们在日常生活中的应用很广泛,在科研中的价值也很高。


从今天起,我们【趣味科普】栏目推出“磷系列”,带大家走进“磷家族”,领略它们的神奇。


今天我们就来看看“磷家族”的后起之秀——黑磷吧!


提到二维材料,很多人第一反应就是:石墨烯。以石墨烯为代表的二维材料,被誉为21世纪的超级材料,有望发展成为下一个万亿级的产业。


但是从2014年开始,黑磷成为二维材料领域的一匹“黑马”,它的横空出世迅速引发关注。从晶体管、光电子器件,再到催化、能源、生物医学等领域,均展现出广阔应用前景,一举夺得新型二维材料的新“C位”,因为它拥有媲美甚至超越“网红材料”石墨烯的潜能。


01

黑磷是磷家族的一份子


说起磷家族,人们最熟悉的应该是白磷,毕竟“鬼火”的科普早已家喻户晓,而发现磷元素的故事也是充满了味道。


1669年,住在德国汉堡的一名炼金师Hennig Brand突发奇想,将60多桶尿液加大火蒸干,他原本以为,金黄色的尿液煮完了会得到黄金,然而最终,他得到了另一种闪闪发光的物质。


磷元素发现者Hennig Brand正在煮尿


这种物质看起来像白蜡,发出的光芒竟然是蓝绿色的“冷光”,没有灼热感。Hennig Brand将他命名为Phosphorum(拉丁文冷光之意),也就是后来的Phosphorus——磷元素。


磷家族的成员易燃易爆炸,脾气非常大,比如在推理小说中经常出现的白磷,和用作火柴头的红磷,它们的化学性质都很活泼。


而作为磷家族一份子的黑磷,性质则要比白磷、红磷稳定得多。如果把白磷比作活泼的少年,那么黑磷则更像是一位稳重的青年。黑磷“性格”沉稳,在常温常压下是一种热力学稳定的磷同素异形体;通身有黑色的光泽,呈片状。


图片

块状黑磷

02

“黑马”黑磷的成名史


一开始,黑磷只是磷家族不起眼的一员,毕竟比起同素异形体中能自燃的白磷,黑磷的反应活性很弱,在空气中不会点燃,因此人们并未注意到它。


反而是石墨烯从2004年被制备出来之后,在科技界得到广泛看好,因为它具备优异的导热性和导电性,因此相比于传统的锂电池和聚合物电池,石墨烯电池更极致和优秀。


然而,二维石墨烯也拥有自己致命的缺陷——其电子结构中不具备能隙,大大限制了其使用范围。于是,材料学家们开始探寻更优异的材料,黑磷进入他们的视野。


通过一系列科学实验,材料学家发现,黑磷具备很高的电子流动性,在光电领域的应用前景很有可能超过石墨烯,因为黑磷存在能隙。


生物质石墨烯母粒


能隙是什么呢?在半导体中,由于能隙的存在,半导体只有吸收足够的能量才会呈现出另一种状态,即在半导体原件中可以表示0和1。如果没有能隙存在,就很难表示数字电路中的逻辑状态。


因此,黑磷作为一种新的二维材料,被视为能解决石墨烯性能上存在的一些问题的材料,它独特的几何及电子结构和优异的性能,在晶体管、传感器、太阳能电池及光电子器件等领域应用前景广阔。


03

黑磷铂广谱光催化剂的开发

而要将黑磷进行广泛应用,目前已有的开发程度远远不够,仍然需要科学家们不断研究,将技术水平不断完善。


举个例子来说吧:


生产化合物时,最有效的方法是利用催化反应。但是,催化反应往往需要消耗大量不可再生能源以产生热能驱动反应,这是当前导致资源枯竭、环境污染等问题的重要原因之一。因此,发展光催化技术,直接利用太阳能生产化合物具有广阔的应用前景,而其中关键之处在于高效广谱光催化剂的开发。


黑磷具有可调的直接带隙、吸收范围广、光耦合效率高、载流子迁移率快、比表面积大、活性位点多等众多优势,却受限于稳定性不高、光生载流子复合过快等问题。半导体-金属异质结构能够加速捕获光激发的电子和空穴对,从而延长电荷载流子的寿命,提高肖特基结光催化中的电荷分离和利用效率。


先进院喻学锋研究员课题组设计了一种新型黑磷/铂半导体/金属异质结,实现了太阳能高效光催化有机反应。所负载超小,黑磷纳米片的稳定性显著增强。与此同时,该异质结构能够有效地吸收太阳能,其吸收范围覆盖太阳光紫外至红外区域。

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黑磷/铂异质结的结构设计

(a) 不同催化剂光催化苯乙烯加氢性能转化率对比;(b) 黑磷/铂光催化和热驱动苯乙烯加氢性能转化率对比;(c) 黑磷/铂在苯乙烯加氢中观察到的主要同位素效应;(d) 光电子对苯乙烯加氢能垒变化影响


在模拟太阳光驱动的有机加氢与有机氧化反应后,黑磷/铂异质结展现出比其他铂基催化剂高得多的催化效率,也远远优于传统的热驱动催化效率。这种新型黑磷/铂光催化剂在太阳能驱动的有机催化反应中具有广泛应用潜力。


黑磷作为新材料的黑马,说它是可以媲美石墨烯的“网红”一点也不夸张,随着科研的深入,希望这熠熠生辉的“梦幻材料”,早日闪耀更大的光芒!



参考文献:

[1] Sha Xiong, et al. Brain-targeted delivery shuttled by black phosphorus nanostructure to treat Parkinson's disease. Biomaterials, 2020.

[2] Ziletti Angelo, et al. Oxygen defects in phosphorene, Phys. Rev. Lett, 2015, 114, 046801.

[3] Zhou Qionghua, et al. Light-Induced Ambient Degradation of Few-Layer Black Phosphorus: Mechanism and Protection, Angew. Chem. Int. Ed, 2016, 55, 11437.

[4] Favron Alexandre, et al. Photooxidation and quantum confinement effects in exfoliated black phosphorus, Nat. Mater, 2015, 14, 826.

[5] Han Cheng, et al. Oxygen induced strong mobility modulation in few-layer black phosphorus, 2D Mater, 2017, 4, 021007.


对于“磷家族”的了解,是否还意犹未尽呢?下一期,我们继续科普“磷家族”成员,尽请期待哦!


原创:吴金娥

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