1、新型二維晶體材料新型二維晶體材料黑磷黑磷烯烯匯 報(bào) 人： 越迷貝貝學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 目 錄1、博士課題2、二維晶體材料的發(fā)展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制備5、黑磷烯的應(yīng)用6、發(fā)展與展望 目 錄1、博士課題2、二維晶體材料的發(fā)展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制備5、黑磷烯的應(yīng)用6、發(fā)展與展望背景二十一世紀(jì)是信息化的時(shí)代，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代越來(lái)越快電子器件的尺寸和精細(xì)度的要求也在不斷的提高，傳統(tǒng)的三維晶體材料已經(jīng)不能滿足科技發(fā)展的需要；工業(yè)界一直在尋找一種新的材料來(lái)制造電子器件，尤其是高性能的半導(dǎo)體電子器件；2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈蓋姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨

2、烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在；二維晶體材料的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。二維晶體材料 二維晶體材料：由幾層單原子層堆疊而成的納米厚度的平面晶體。 典型代表：石墨烯、單層過(guò)渡金屬二硫化物（如單層MoS2）、單層六方氮化硼以及薄層黑磷等。二維晶體材料的優(yōu)異特性 二維晶體材料的優(yōu)異特性： 比表面積：可以為化學(xué)反應(yīng)提供更多反應(yīng)位點(diǎn)的巨大的比表面積。 量子尺寸效應(yīng)：具有一個(gè)維度上的量子尺寸效應(yīng)，是研究物質(zhì)微觀條件下的物理、化學(xué)現(xiàn)象的理想的模型。 可調(diào)控性：通過(guò)表面原子吸附、元素替代摻雜、拉伸應(yīng)變、不同方向邊緣切割、構(gòu)型設(shè)計(jì)、控制片層厚度以及缺陷工程等方法可以實(shí)現(xiàn)材料性能的可控調(diào)制。為研究與電子結(jié)構(gòu)密切相

3、關(guān)的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)提供了方便。 此外，二維晶體材料還具有許多特點(diǎn)，如：超薄、超輕、柔性等。 二維晶體材料可以用來(lái)制作各種各樣的柔性電子器件、柔性光電器件、高功率/質(zhì)量比的太陽(yáng)能電池。目前人們已經(jīng)研究出基于二維晶體材料的超高靈敏度光檢測(cè)器、超薄太陽(yáng)能電池原型器件等 目 錄1、博士課題2、二維晶體材料的發(fā)展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制備5、黑磷烯的應(yīng)用6、發(fā)展與展望傳統(tǒng)二維材料的缺陷 石墨烯材料的電子結(jié)構(gòu)中沒(méi)有半導(dǎo)體帶隙，其帶隙為0。正因?yàn)檫@個(gè)特性，在實(shí)際應(yīng)用中，原始的石墨烯材料不能解決電流的“開(kāi)”和“關(guān)”的問(wèn)題。正是這一缺點(diǎn)，弱化了石墨烯材料在計(jì)算機(jī)等器件中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)方面的應(yīng)用。 201

4、4年，復(fù)旦大學(xué)物理系的張遠(yuǎn)波教授課題組發(fā)現(xiàn)了一種性能比較完美的新型二維半導(dǎo)體材料黑磷烯（Phosphorene）。磷烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 單層的黑磷稱(chēng)作磷烯。黑磷烯是一種幾何結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的二維晶體材料，它的單胞包含四個(gè)P原子。 黑磷烯的原子結(jié)構(gòu)與石墨烯的結(jié)構(gòu)非常相似，由六個(gè)P原子圍成了一個(gè)環(huán)狀的六角形結(jié)構(gòu)。 石墨烯所形成的原子層在同一個(gè)平面內(nèi)，而磷烯層不是平面。由于SP3雜化作用，黑磷烯原子形成了一個(gè)褶皺蜂窩狀的表面結(jié)構(gòu)。磷烯的表征n黑磷烯的拉曼特征峰有3個(gè)，分別在3 6 0 ， 4 3 5 ，460cm-1處；n拉曼峰位的層數(shù)依賴性；n拉曼峰強(qiáng)的層數(shù)依賴性。磷烯的帶隙 直接帶隙：黑磷烯價(jià)帶的頂部（最

5、大值處）與導(dǎo)帶的底部（最小值處）都位于布里淵區(qū)的中心點(diǎn)處； 實(shí)驗(yàn)測(cè)出磷烯的帶隙寬度為0.91eV； 黑磷烯的導(dǎo)帶和價(jià)帶有著截然不同的分布路徑，這說(shuō)明了黑磷烯有著高度的各向異性的結(jié)構(gòu)特性； 二維黑磷烯是一種非常典型的各向異性的直接帶隙半導(dǎo)體材料。磷烯的帶隙n磷烯的帶隙是可以通過(guò)磷烯的層數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)的。n單層磷烯的帶隙值為1.51eV，而五層磷烯的帶隙值則為 0.59eV。磷烯的帶隙K摻雜Stark效應(yīng)誘發(fā)垂直電場(chǎng)帶隙改變?cè)诠怆娦阅芊矫婢薮鬂摿α紫┑母飨虍愋?黑磷具有高度各向異性的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。 為新型電子以及光電機(jī)械設(shè)備的研究指明了方向。弓形弓形鋸齒形鋸齒形石墨烯石墨烯磷烯磷烯MoS2力學(xué)力

6、學(xué)電學(xué)及光學(xué)電學(xué)及光學(xué)光子學(xué)特性 黑磷烯具有優(yōu)異的光子學(xué)特性。 黑磷烯是直接帶隙半導(dǎo)體，電子只需吸收光能，就能從非導(dǎo)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電，這意味著黑磷烯和光可以直接耦合。 包括光吸收、發(fā)射和調(diào)節(jié)在內(nèi)的半導(dǎo)體材料的光電作用都取決于其能帶間隙的大小，而黑磷烯的能隙寬度可在0.3至2.0eV之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，且其能隙可通過(guò)黑磷烯的層數(shù)及外加電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，黑磷烯能夠吸收和發(fā)射波長(zhǎng)在0.6至4.0微米之間的光既包括可見(jiàn)光，也包括紅外光。 該范圍對(duì)于黑磷烯在傳感器和光學(xué)通信方面的應(yīng)用至關(guān)重要。 目 錄1、博士課題2、二維晶體材料的發(fā)展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制備5、黑磷烯的應(yīng)用6、發(fā)展與展望4、黑磷烯的制備塊

7、狀黑磷的制備白磷高溫高壓法制備黑磷紅磷或白磷高能球磨法紅磷金屬催化法黑磷烯的制備機(jī)械剝離法液相剝離法化學(xué)合成法高純度塊狀黑磷膠帶上的薄層黑磷PDMS基體上的薄層黑磷其他基體上的薄層磷烯（1-3層）機(jī)械剝離法 該方法制備出的薄層磷烯包含一至三層黑磷烯且具有良好的穩(wěn)定性和結(jié)晶性；與傳統(tǒng)的機(jī)械剝離方法相比，能夠獲得密度更大、質(zhì)量更好的單層黑磷烯。Nitto膠帶膠帶不斷剝離不斷剝離將膠帶輕輕壓在聚二甲硅氧烷基體上并迅速分離將粘有薄層黑磷的基體與其他受主基體輕輕接觸后緩慢分離高純度塊狀黑磷Si/SiO2基體上的薄層黑磷晶體單層黑磷烯機(jī)械剝離法 可獲得均勻厚度、完美結(jié)構(gòu)以及良好的結(jié)晶性黑磷烯，同時(shí)可通過(guò)控

8、制等離子體的功率及壓強(qiáng)來(lái)控制磷烯的層數(shù)。機(jī)械剝離機(jī)械剝離用功率為30W、壓強(qiáng)為30Pa的Ar+等離子體在室溫下對(duì)薄層黑磷晶體進(jìn)行減薄N-環(huán)乙基-2-吡咯烷酮（CHP）溶液+少量的環(huán)丙醇（IPA）超聲處理穩(wěn)定的分散系薄層磷烯樣品液相剝離法 該方法所得晶體結(jié)構(gòu)完整、沒(méi)有缺陷，可控尺寸的薄層磷烯，這使得黑磷烯可應(yīng)用在復(fù)合材料的增強(qiáng)體（大尺寸磷烯）及催化劑（小尺寸磷烯）等領(lǐng)域。加入黑加入黑磷塊體磷塊體離心分離離心分離（1000rpm,180min）液相剝離法 該方法制備出的35層磷烯側(cè)向面積較大，13層磷烯側(cè)向面積則較小。N-甲基-2-吡咯烷酮溶液（NMP）超聲處理，30保溫穩(wěn)定的分散系薄層磷烯樣品加

9、入黑加入黑磷塊體磷塊體離心分離離心分離化學(xué)合成法 可制備高純度、大尺寸的薄層磷烯，且制備周期短。Sn（20mg）+SnI4（10mg）+紅磷（500mg）放入水平放置的空安瓿瓶的熱端置于初始溫度為650的馬弗爐的中間部位在7.5h內(nèi)使馬弗爐溫度降低到550薄層磷烯化學(xué)合成法 通過(guò)濺射或熱沉積的方式在柔性聚酯（PET）基體上沉積一層薄紅磷（RP）；后將沉積有薄層紅磷的基體放入多砧容器內(nèi)，在保持常溫下對(duì)容器加壓，直到達(dá)到8GPa，形成厚度約為40nm的磷烯。 該方法制備的磷烯光學(xué)性質(zhì)相差不大，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能：其開(kāi)關(guān)比約為200，載流子遷移率為0.5cm2/(Vs)，載流子遷移率比機(jī)械剝離方法制

10、備的磷烯晶體管小 目 錄1、博士課題2、二維晶體材料的發(fā)展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制備5、黑磷烯的應(yīng)用6、發(fā)展與展望場(chǎng)效應(yīng)晶體管n也稱(chēng)為單極型晶體管，由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件n類(lèi)別：PN結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管n優(yōu)點(diǎn)：輸入電阻高（1071015）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葓?chǎng)效應(yīng)晶體管n傳統(tǒng)的FET半導(dǎo)體多使用三維晶體材料（硅），由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，即將到達(dá)尺寸瓶頸。n由于單層磷烯是帶隙值可達(dá)到2eV的直接帶隙半導(dǎo)體，且其帶隙的大小可通過(guò)改變?cè)訉訑?shù)來(lái)調(diào)節(jié)，且磷烯具有很高的載流子遷移率，為磷烯場(chǎng)效應(yīng)

11、晶體管的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大器阻抗變換可變電阻恒流源電子開(kāi)關(guān)磷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2014年，復(fù)旦大學(xué)的張遠(yuǎn)波、封東來(lái)、吳驊三位教授與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳仙輝教授的課題組合作，成功制備了具有能帶帶隙的二維黑磷的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。 二維黑磷晶體材料的半導(dǎo)體性能非常好，在納米電子器件的應(yīng)用方面有著巨大的潛力。漏電流調(diào)制幅度在105量級(jí)的可靠的晶體管性能良好的電流飽和效應(yīng)霍爾系數(shù)和電導(dǎo)隨柵電壓的變化磷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管Si/SiO2基體上的薄層磷烯晶體管的性能測(cè)試結(jié)果載流子遷移率達(dá)到300cm2/(Vs)漏電流調(diào)制率超過(guò)103同時(shí)表現(xiàn)出電子和空穴的傳導(dǎo)良好的電流飽和效應(yīng)磷烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管 Ab

12、bas等利用如圖所示的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，設(shè)計(jì)了一種氣體傳感器，并對(duì)該傳感器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，利用該氣體傳感器可以對(duì)ppb級(jí)濃度的NO2進(jìn)行測(cè)量。FET電導(dǎo)率隨著時(shí)間的變化電導(dǎo)率與NO2濃度的關(guān)系其他應(yīng)用 黑磷烯是直接帶隙P型半導(dǎo)體，使其在光學(xué)和光電子領(lǐng)域是有很大的應(yīng)用前景。 黑磷烯能表現(xiàn)出唯一的多電子效應(yīng)，且其電子結(jié)構(gòu)自發(fā)地沿著一維方向排列，導(dǎo)致其具有特有的增強(qiáng)自修正能量及激發(fā)效應(yīng)。因此黑磷烯在光電等領(lǐng)域有許多潛在應(yīng)用價(jià)值。 黑磷烯能吸收沿扶手椅方向的偏正光，而透射沿鋸齒方向的偏正光。這使得該材料在線性偏振器方面有著潛在的應(yīng)用。 黑磷烯的帶隙可調(diào)節(jié)性使其在設(shè)計(jì)和優(yōu)化其電子及光電子器件方面有著巨

13、大的靈活性。這表明黑磷烯在制備光電子器件方面是一種很有前途的材料。磷烯光探測(cè)器nNathan等研發(fā)了一款黑磷烯光探測(cè)器，其光學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)的速率可達(dá)3Gbit/s低摻雜和高摻雜黑磷光探測(cè)器的寬頻響應(yīng)測(cè)試結(jié)果黑磷烯光探測(cè)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率測(cè)試結(jié)果氣體傳感器及納米傳感器 薄層磷烯表現(xiàn)出比石墨烯更強(qiáng)的飽和吸收響應(yīng)，其超快的非線性性能使磷烯在光電子器件方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值； 由于NH3對(duì)磷烯貢獻(xiàn)了電子，使得磷烯變?yōu)镻型半導(dǎo)體，從而改變了磷烯的阻抗，這為黑磷烯應(yīng)用在氣體傳感器及納米傳感器方面提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。飽和吸收度濃度與阻抗?jié)舛扰c信噪比應(yīng)力-應(yīng)變曲線楊氏模量抗拉強(qiáng)度拉伸韌性力學(xué)的各向異性非線性性能 目 錄1、博士課題2、二維晶體材料的發(fā)展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制備5、黑磷烯的應(yīng)用6、發(fā)展與展望氧化降解 黑磷烯存在一個(gè)致命的缺陷，那就是當(dāng)這種纖薄的單晶與周?chē)h(huán)境接觸時(shí)，很容易發(fā)生氧化降解。在氧氣、水和光的聯(lián)合作用下二維黑磷單晶很容易發(fā)生氧化。 封裝在氧化鋁和聚四氟乙烯的隔層 未來(lái)的研究熱點(diǎn)將會(huì)是如何提高黑磷的穩(wěn)定性，防止其