8月6日，清華大學化學系曹化強教授課題組及其合作者在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了題為“將塊體黑磷以‘拉開拉鏈’方式制備成鋸齒取向黑磷烯納米帶”(Unzipping of black phosphorus to form zigzag-phosphorene nanobelts)的研究論文。研究團隊利用電化學手段控制氧分子濃度，制備出沿鋸齒型（zigzag）取向的納米帶；同時，通過調節(jié)電流密度可實現(xiàn)黑磷烯納米片、納米帶和量子點的可控制備；通過理論計算揭示了氧分子對黑磷烯實現(xiàn)定向切割的機理；利用所制備的黑磷烯納米帶構建場效應晶體管器件并對其載流子輸運特性進行了深入研究。
黑磷烯二維納米結構，包括單原子層黑磷烯和少層黑磷烯（<10層）。與石墨烯不同，黑磷烯本身具有帶隙以及獨特的各向異性。理論計算預測，黑磷烯在zigzag方向具有比搖椅型（armchair）方向具有更加優(yōu)異的熱學、力學以及半導體性質，因此zigzag取向黑磷烯納米帶在熱電、柔性電子和量子信息技術等領域的應用引起了研究者的廣泛興趣。然而，受限于黑磷烯的穩(wěn)定性以及現(xiàn)有的合成技術，黑磷烯納米帶有效制備成為其研究及應用的關鍵瓶頸。
受啟發(fā)于黑磷在空氣環(huán)境中可被氧化分解，團隊設計了一種通過電化學方法，通過改變電流密度有效調節(jié)離子插層速率和黑磷烯周邊的氧分子濃度，從而可控制備黑磷烯納米結構的維度和尺寸，獲得一系列黑磷烯納米結構，包括納米片、納米帶和量子點（圖1）。結構表征證明了所制備的黑磷烯納米帶具有很好的結晶性和柔韌性。
該電化學解離機制認為制備過程分為兩步，即離子插層和氧驅動解離過程（圖2）。在電化學過程中，BF4-離子沿黑磷a軸方向（即[100]方向，沿zigzag方向）插入黑磷晶體層間，同時，氧分子被化學吸附、解離在黑磷表面上形成懸鍵氧，通過懸鍵氧與水分子形成氫鍵及P-O-P水解，導致P-P鍵斷開，沿著zigzag方向以“拉開拉鏈”的方式持續(xù)進行，被解離成納米帶。理論計算分析、比較了各種氧分子在黑磷烯上的吸附和解離路徑（圖3）。結果表明，形成間隙氧對是解離黑磷晶體P-P鍵并最終形成zigzag取向黑磷烯納米帶的關鍵步驟。
研究團隊采用銅網(wǎng)掩膜法設計制備了基于黑磷烯納米帶的場效應晶體管器件并探究了其載流子輸運特性，可實現(xiàn)器件p-n型之間的轉化，為黑磷烯納米帶在主動式矩陣顯示技術、射頻器件及互補型金屬氧化物半導體器件技術中的應用提供了關鍵材料和開辟新的研究方向。
清華大學化學系教授曹化強、清華大學微納電子系副研究員謝丹和英國劍橋大學材料科學與冶金系教授Anthony K. Cheetham為本文共同通訊作者，化學系博士生劉志方、微納電子系博士生孫翊淋為共同第一作者。南開大學材料科學與工程學院、稀土與無機功能材料研究中心李偉教授，中國科學院高能物理研究所王嘉鷗副研究員參與了該項研究。本工作獲得了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的支持。
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