成功開發黑磷烯等離子體液相高效製備技術

近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒和正高級工程師黃逸凡合作在高質量黑磷烯製備領域取得新突破，相關研究成果"Rapid and scalable production of high-quality phosphorene by plasma-liquid technology"以通訊快報的形式發表在國際化學期刊Chemical Communications。論文第一作者是助理研究員黃浩，共同第一作者是博士康翼鴻，合作者包括教授朱劍豪、西班牙阿拉貢納米科學研究所教授Ricardo Ibarra 等。

黑磷烯作為一種帶隙可調的直接帶隙半導體二維層狀材料，在光/電子器件領域具有極大的應用潛力。目前，製備黑磷烯的主要方法是液相剪切/超聲剝離法，但黑磷本身楊氏模量較小，長時間剪切/超聲會導致磷烯片層較小和缺陷增多，且易發生氧化，從而限制黑磷烯的應用。因此，開發出製備高質量大尺寸黑磷烯的高效方法對於黑磷烯的應用至關重要。不同於固體、液體和氣體，等離子體是由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的物質狀態，又被譽為“物質的第四態”。作為一種綠色的工業技術，等離子體技術已被廣泛應用於材料表面處理、納米材料合成以及半導體制造領域。但利用等離子體技術來製備黑磷烯的技術路線尚未有報導。

前期，團隊在黑磷烯液相超聲製備（Advanced Functional Materials25 (45), 6996-7002）、離子插層（Small Methods, 1900083；Materials Horizons6 (1), 176-181）等方向做了大量工作。在本項工作中，基於多年的黑磷烯製備經驗和等離子體技術特色，團隊自主設計出等離子體液相製備系統，包括電源模塊、反應模塊等。通過高壓電源在陽極產生等離子體，作用於N,N-二甲基甲酰胺溶劑，等離子體中的活性粒子將N,N-二甲基甲酰胺分子分解，分解產物在電場驅動下對陰極黑磷晶體進行插層，同時在層間產生氣體，弱化層間力，使得黑磷晶體快速膨脹，從而高效地製備出高質量大尺寸的黑磷烯。同時由於製備時間短，此方法制備的磷烯氧化程度低，展現出優良的光電響應性能，這為黑磷烯作為高性能電子材料的應用奠定了基礎。

上述研究得到國家自然科學基金面上項目、中科院前沿重點項目、深圳市科技計劃項目等的支持。

圖.a) 等離子體液相剝離示意圖；b) 黑磷烯白光顯微鏡照片和分散液白光照片；c) 黑磷烯透射電鏡圖片；d) 黑磷烯高分辨透射電鏡圖片。

來源：中國科學院深圳先進技術研究院