[亮点文章]二维黑磷的制备及光电器件研究进展
二维晶体即厚度在一个原子层到几十纳米之间的薄膜晶体,因其独特的二维结构,以及优异的电学、光学、磁学特性而受到了科学家们的广泛关注。
作为第一种被剥离出单层结构的二维材料,石墨烯在很多方面都表现出优异的特性,但是,石墨烯的带隙为0,无法实现半导体的逻辑开关,难以应用于半导体工业与光电器件。
因此,众多研究人员都希望找到具有一定带隙的二维材料。硅烯是一种由硅原子组成且具有半导体特性的类石墨烯二维材料,但在自然条件中的不稳定限制了它的发展。过渡金属硫化物(TMDs)也是一类典型的二维半导体材料,其中最受关注的是MoS2,但其不具备带隙可调的特性且载流子迁移率不高,这使得它在光电器件方面的应用受到限制。
自二维黑磷首次被报道以来,已有众多的学者投入到对黑磷的研究中,并取得了一系列的成果:例如其随层数可调的直接带隙,高的载流子迁移率及开关比,各向异性的光电性质,良好的生物相容性与载药能力,优异的非线性光学性质,高的光热转换效率等。这些性质使得黑磷在电子器件、超快光学、生物医学、光伏器件等方面都有巨大的应用潜力。
作为二维黑磷的常用前驱物,块体黑磷的制备方法有很多种,其中大多数都需要高温高压。由于黑磷层间是通过范德华力相结合,二维黑磷可以由机械剥离和液相剥离的方法得到。此外,3个维度均在几个纳米的准零维黑磷量子点也可以通过液相剥离的方法得到。
研究表明,黑磷具有优异的光学性质。研究人员利用Z-Scan实验证实了二维黑磷、黑磷量子点在可见光及中红外波段均具有显著的可饱和吸收效应,并且已将二维黑磷及黑磷量子点的饱和吸收效应成功应用于被动光纤激光器锁模。这表明黑磷有望应用于纳米光子器件,如锁模器、Q开关、光开关。
此外,黑磷有着独特的光电性质。因此,将其制作成性能优异的光电器件也成为很多科研人员的目标。研究人员已经成功研制出了多层黑磷光电探测器、黑磷场效应晶体管。这些成果表明,二维黑磷在电子器件、光伏器件等方面都有巨大的应用潜力。
黑磷的研究应用还处于起步阶段,很多问题有待解决。例如,在常温常压下快速制备黑磷单晶的技术还有待突破。另外,单层黑磷的大批量、高产率制备方法也还不够完善,液相剥离等方法获得的主要还是多层黑磷。最后,由于二维黑磷极易在空气中发生反应,能否通过化学修饰等方法提高它的稳定性,也是决定它能否实现市场应用的重要因素。
深圳市黑磷光电技术工程实验室主任张晗教授全面调研了国际上二维黑磷制备及黑磷在光电器件应用方面的相关前沿进展,结合自身从事二维黑磷研究的理论成果和实践经验,撰写了《二维黑磷的制备及光电器件研究进展》一文。该论文对二维黑磷的概念和结构、块体黑磷(高温高压合成法)及二维黑磷的不同制备方法(机械剥离法、液相剥离法)进行了综述,并对二维黑磷及其量子点优异的光学、电学特性,以及它们在电子器件,光电子器件、光伏器件等方面的应用展开了讨论,最后对二维黑磷存在的挑战和发展前景进行了展望。该文系《材料导报》2017年特别策划的“二维材料”专题中的重点文章之一,将刊登在第31卷第5期综述篇上。
我们近期会在杂志社微信公众号“cailiaodaobao”以及官方网站http://www.mat-rev.com上陆续介绍“二维材料”专题亮点文章,敬请广大学界专家和师生予以关注。