【vwin德赢登陆】深圳先进院成功开发黑磷烯等离子体液相高效制备技术,剪切力辅助液相剥离二维黑磷纳米片用于低温钙钛矿太阳能电池

by admin on 2020年1月25日

近日,中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋和正高级工程师黄逸凡合作在高质量黑磷烯制备领域取得新突破,相关研究成果”Rapid
and scalable production of high-quality phosphorene by plasma-liquid
technology”以通讯快报的形式发表在国际化学期刊Chemical
Communications。论文第一作者是助理研究员黄浩,共同第一作者是博士康翼鸿,合作者包括教授朱剑豪、西班牙阿拉贡纳米科学研究所教授Ricardo
Ibarra
等。  黑磷烯作为一种带隙可调的直接带隙半导体二维层状材料,在光/电子器件领域具有极大的应用潜力。目前,制备黑磷烯的主要方法是液相剪切/超声剥离法,但黑磷本身杨氏模量较小,长时间剪切/超声会导致磷烯片层较小和缺陷增多,且易发生氧化,从而限制黑磷烯的应用。因此,开发出制备高质量大尺寸黑磷烯的高效方法对于黑磷烯的应用至关重要。不同于固体、液体和气体,等离子体是由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成,整体呈中性的物质状态,又被誉为“物质的第四态”。作为一种绿色的工业技术,等离子体技术已被广泛应用于材料表面处理、纳米材料合成以及半导体制造领域。但利用等离子体技术来制备黑磷烯的技术路线尚未有报道。  前期,团队在黑磷烯液相超声制备(Advanced
Functional Materials 25 (45), 6996-7002)、离子插层(Small Methods,
1900083;Materials Horizons 6 (1),
176-181)等方向做了大量工作。在本项工作中,基于多年的黑磷烯制备经验和等离子体技术特色,团队自主设计出等离子体液相制备系统,包括电源模块、反应模块等。通过高压电源在阳极产生等离子体,作用于N,N-二甲基甲酰胺溶剂,等离子体中的活性粒子将N,N-二甲基甲酰胺分子分解,分解产物在电场驱动下对阴极黑磷晶体进行插层,同时在层间产生气体,弱化层间力,使得黑磷晶体快速膨胀,从而高效地制备出高质量大尺寸的黑磷烯。同时由于制备时间短,此方法制备的磷烯氧化程度低,展现出优良的光电响应性能,这为黑磷烯作为高性能电子材料的应用奠定了基础。  上述研究得到国家自然科学基金面上项目、中科院前沿重点项目、深圳市科技计划项目等的支持。

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作者:MaterialsViews,翻译人:阿斯兰

据MaterialsViews2月15日报道称,近日,澳大利亚昆士兰大学的Shapter与合作者开发了一种简单且快速的“自上而下”方案,即在近红外脉冲激光照射下使用涡流装置液相剥离制备少层黑磷纳米片。这种新型的剪切剥离方法制备时间短,获得的黑磷纳米片结晶度高,且具有原子层厚度。研究者将制备的黑磷纳米片添加到低温制备的氧化钛中,作为电子传输层,制备了低温加工的平板钙钛矿太阳能电池。研究发现,添加二维黑磷纳米片,电池的平均光电功率转换效率从14.32%提升到了16.53%。实验和理论计算结果表明,电池转换效率的提高是由于黑磷纳米片的高载流子迁移率,以及与钙钛矿层相匹配的能级位置,能够高效的提取和传输电子。这项工作不仅提供了一种制备二维黑磷的新颖的高效合成方法,而且开辟了黑磷在光伏器件中的应用新途径。

二维黑磷是继石墨烯之后一种新型二维半导体材料,自2014年发现以来,吸引了巨大的研究兴趣。二维黑磷具有范围可调的直接带隙,较高的载流子迁移率以及各向异性等特点,在晶体管、传感器、太阳能电池等领域具有重要的应用前景。与石墨烯类似,二维黑磷最初也是通过机械剥离法制得。这种方法实验条件简单,获得的黑磷晶体质量高,但是此法耗时且产量低,制备出的晶体尺寸不易控制,难以大批量可控制备。相较于机械剥离,液相剥离法可以在溶液中大批量制备二维黑磷。液相剥离主要通过探头超声、水浴超声等方式提供能量将块体黑磷剥离出二维晶体。当溶剂与黑磷之间的粘性大于溶液的内聚能时,剥离较为容易。通常使用较多的剥离溶剂是异丙醇与N-甲基吡咯烷。但是,通常所用溶剂是高沸点溶剂,与许多应用场合不相容。
因此,开发低成本,简便有效且能可控黑磷层数的制备方法仍是研究重点。

【vwin德赢登陆】深圳先进院成功开发黑磷烯等离子体液相高效制备技术,剪切力辅助液相剥离二维黑磷纳米片用于低温钙钛矿太阳能电池。二维黑磷是继石墨烯之后一种新型二维半导体材料,自2014年发现以来,吸引了巨大的研究兴趣。二维黑磷具有范围可调的直接带隙,较高的载流子迁移率以及各向异性等特点,在晶体管、传感器、太阳能电池等领域具有重要的应用前景。与石墨烯类似,二维黑磷最初也是通过机械剥离法制得。这种方法实验条件简单,获得的黑磷晶体质量高,但是此法耗时且产量低,制备出的晶体尺寸不易控制,难以大批量可控制备。相较于机械剥离,液相剥离法可以在溶液中大批量制备二维黑磷。液相剥离主要通过探头超声、水浴超声等方式提供能量将块体黑磷剥离出二维晶体。当溶剂与黑磷之间的粘性大于溶液的内聚能时,剥离较为容易。通常使用较多的剥离溶剂是异丙醇与-甲基吡咯烷。但是,通常所用溶剂是高沸点溶剂,与许多应用场合不相容。
因此,开发低成本,简便有效且能可控黑磷层数的制备方法仍是研究重点。

如果说石墨烯是材料领域内的“材料之王”,
那磷烯不得不说是材料领域内的一匹“黑马”。材料行业在“十三五”规划的大力支持下,进入了蓬勃发展的阶段,继最早发现的二维材料石墨烯之后,磷烯作为二维材料家族的最新成员出现在了行业人士的眼前。其优异的光学特性使磷烯迅速成为了晶片界的新宠,其关注度不亚于石墨烯,是当之无愧的“材料黑马”!磷烯具有优于石墨烯的光学特性

但是在电子设备领域,石墨烯存在一个重大的缺陷——其本身没有能隙,不能与硅相容,这限制了它在半导体工业和光学器件等领域的应用。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。形象化的来讲,石墨烯像金属,但磷烯单晶天生就是半导体,它很容易被“打开”和“关闭”。磷烯单晶拥有很高的电子流动性,可用于制造高性能低成本电子设备。目前研究成果可以看出,在电子光电领域,二维黑磷有着石墨烯无法比拟的优势。黑磷二维单晶片层由双层原子组成,厚度为一个原子,具有天然带隙,与硅有较好的相容性。这可望促进硅光子元件技术的发展,届时各种芯片是以光而非电子来传递数字信号。黑磷的半导体能隙是直接能隙,即导带底部和价带顶部在同一位置,这意味着黑磷和光可以直接耦合,这个特性让黑磷成为未来光电器件(例如光电传感器)的一个备选材料,可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。其能隙还可藉由在硅基板上堆栈的黑磷层数来进行调节,使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长。加上黑磷电子迁移速度快,有望在光电领域得到广泛应用。

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