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【趣味科普】第七期:媲美石墨烯的“黑馬”,被寄予厚望的新型半導體——黑磷

時間:2020-11-24        來源:

說起“磷家族”,很多人都不陌生,比如能自燃放出藍色火光的白磷,比如能當做火柴頭的紅磷……

“磷家族”是一群活躍分子,他們在日常生活中的應用很廣泛,在科研中的價值也很高。

從今天起,我們【趣味科普】欄目推出“磷系列”,帶大家走進“磷家族”,領略它們的神奇。

今天我們就來看看“磷家族”的后起之秀——黑磷吧!

提到二維材料,很多人第一反應就是:石墨烯。以石墨烯為代表的二維材料,被譽為21世紀的超級材料,有望發展成為下一個萬億級的產業。

但是從2014年開始,黑磷成為二維材料領域的一匹“黑馬”,它的橫空出世迅速引發關注。從晶體管、光電子器件,再到催化、能源、生物醫學等領域,均展現出廣闊應用前景,一舉奪得新型二維材料的新“C位”,因為它擁有媲美甚至超越“網紅材料”石墨烯的潛能。

01

黑磷是磷家族的一份子

說起磷家族,人們最熟悉的應該是白磷,畢竟“鬼火”的科普早已家喻戶曉,而發現磷元素的故事也是充滿了味道。

1669年,住在德國漢堡的一名煉金師Hennig Brand突發奇想,將60多桶尿液加大火蒸干,他原本以為,金黃色的尿液煮完了會得到黃金,然而最終,他得到了另一種閃閃發光的物質。

磷元素發現者Hennig Brand正在煮尿

 

這種物質看起來像白蠟,發出的光芒竟然是藍綠色的“冷光”,沒有灼熱感。Hennig Brand將他命名為Phosphorum(拉丁文冷光之意),也就是后來的Phosphorus——磷元素。

磷家族的成員易燃易爆炸,脾氣非常大,比如在推理小說中經常出現的白磷,和用作火柴頭的紅磷,它們的化學性質都很活潑。

而作為磷家族一份子的黑磷,性質則要比白磷、紅磷穩定得多。如果把白磷比作活潑的少年,那么黑磷則更像是一位穩重的青年。黑磷“性格”沉穩,在常溫常壓下是一種熱力學穩定的磷同素異形體;通身有黑色的光澤,呈片狀。

塊狀黑磷

 

02

“黑馬”黑磷的成名史

一開始,黑磷只是磷家族不起眼的一員,畢竟比起同素異形體中能自燃的白磷,黑磷的反應活性很弱,在空氣中不會點燃,因此人們并未注意到它。

反而是石墨烯從2004年被制備出來之后,在科技界得到廣泛看好,因為它具備優異的導熱性和導電性,因此相比于傳統的鋰電池和聚合物電池,石墨烯電池更極致和優秀。

然而,二維石墨烯也擁有自己致命的缺陷——其電子結構中不具備能隙,大大限制了其使用范圍。于是,材料學家們開始探尋更優異的材料,黑磷進入他們的視野。

通過一系列科學實驗,材料學家發現,黑磷具備很高的電子流動性,在光電領域的應用前景很有可能超過石墨烯,因為黑磷存在能隙。

生物質石墨烯母粒

 

能隙是什么呢?在半導體中,由于能隙的存在,半導體只有吸收足夠的能量才會呈現出另一種狀態,即在半導體原件中可以表示0和1。如果沒有能隙存在,就很難表示數字電路中的邏輯狀態。

因此,黑磷作為一種新的二維材料,被視為能解決石墨烯性能上存在的一些問題的材料,它獨特的幾何及電子結構和優異的性能,在晶體管、傳感器、太陽能電池及光電子器件等領域應用前景廣闊。

03

黑磷鉑廣譜光催化劑的開發

而要將黑磷進行廣泛應用,目前已有的開發程度遠遠不夠,仍然需要科學家們不斷研究,將技術水平不斷完善。

舉個例子來說吧:

生產化合物時,最有效的方法是利用催化反應。但是,催化反應往往需要消耗大量不可再生能源以產生熱能驅動反應,這是當前導致資源枯竭、環境污染等問題的重要原因之一。因此,發展光催化技術,直接利用太陽能生產化合物具有廣闊的應用前景,而其中關鍵之處在于高效廣譜光催化劑的開發。

黑磷具有可調的直接帶隙、吸收范圍廣、光耦合效率高、載流子遷移率快、比表面積大、活性位點多等眾多優勢,卻受限于穩定性不高、光生載流子復合過快等問題。半導體-金屬異質結構能夠加速捕獲光激發的電子和空穴對,從而延長電荷載流子的壽命,提高肖特基結光催化中的電荷分離和利用效率。

先進院喻學鋒研究員課題組設計了一種新型黑磷/鉑半導體/金屬異質結,實現了太陽能高效光催化有機反應。所負載超小,黑磷納米片的穩定性顯著增強。與此同時,該異質結構能夠有效地吸收太陽能,其吸收范圍覆蓋太陽光紫外至紅外區域。

黑磷/鉑異質結的結構設計

 

(a) 不同催化劑光催化苯乙烯加氫性能轉化率對比;(b) 黑磷/鉑光催化和熱驅動苯乙烯加氫性能轉化率對比;(c) 黑磷/鉑在苯乙烯加氫中觀察到的主要同位素效應;(d) 光電子對苯乙烯加氫能壘變化影響

 

在模擬太陽光驅動的有機加氫與有機氧化反應后,黑磷/鉑異質結展現出比其他鉑基催化劑高得多的催化效率,也遠遠優于傳統的熱驅動催化效率。這種新型黑磷/鉑光催化劑在太陽能驅動的有機催化反應中具有廣泛應用潛力。

黑磷作為新材料的黑馬,說它是可以媲美石墨烯的“網紅”一點也不夸張,隨著科研的深入,希望這熠熠生輝的“夢幻材料”,早日閃耀更大的光芒!

參考文獻:

[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.

對于“磷家族”的了解,是否還意猶未盡呢?下一期,我們繼續科普“磷家族”成員,盡請期待哦!

 

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