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新型二维晶体材料——黑磷烯汇报人：越迷贝贝学号：指导教师：目录1、博士课题2、二维晶体材料的发展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制备5、黑磷烯的应用6、发展与展望目录1、博士课题2、二维晶体材料的发展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制备5、黑磷烯的应用6、发展与展望背景二十一世纪是信息化的时代，电子产品更新换代越来越快电子器件的尺寸和精细度的要求也在不断的提高，传统的三维晶体材料已经不能满足科技发展的需要；工业界一直在寻找一种新的材料来制造电子器件，尤其是高性能的半导体电子器件；2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在；二维晶体材料的发现为科学家们打开了一扇新的大门。二维晶体材料二维晶体材料：由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体。典型代表：石墨烯、单层过渡金属二硫化物（如单层MoS2）、单层六方氮化硼以及薄层黑磷等。二维晶体材料的优异特性二维晶体材料的优异特性：比表面积：可以为化学反应提供更多反应位点的巨大的比表面积。量子尺寸效应：具有一个维度上的量子尺寸效应，是研究物质微观条件下的物理、化学现象的理想的模型。可调控性：通过表面原子吸附、元素替代掺杂、拉伸应变、不同方向边缘切割、构型设计、控制片层厚度以及缺陷工程等方法可以实现材料性能的可控调制。为研究与电子结构密切相关的光学、电学和磁学性质提供了方便。此外，二维晶体材料还具有许多特点，如：超薄、超轻、柔性等。二维晶体材料可以用来制作各种各样的柔性电子器件、柔性光电器件、高功率/质量比的太阳能电池。目前人们已经研究出基于二维晶体材料的超高灵敏度光检测器、超薄太阳能电池原型器件等目录1、博士课题2、二维晶体材料的发展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制备5、黑磷烯的应用6、发展与展望传统二维材料的缺陷石墨烯材料的电子结构中没有半导体带隙，其带隙为0。正因为这个特性，在实际应用中，原始的石墨烯材料不能解决电流的“开”和“关”的问题。正是这一缺点，弱化了石墨烯材料在计算机等器件中半导体开关方面的应用。2014年，复旦大学物理系的张远波教授课题组发现了一种性能比较完美的新型二维半导体材料——黑磷烯（Phosphorene）。磷烯的结构特点单层的黑磷称作磷烯。黑磷烯是一种几何结构非常稳定的二维晶体材料，它的单胞包含四个P原子。黑磷烯的原子结构与石墨烯的结构非常相似，由六个P原子围成了一个环状的六角形结构。石墨烯所形成的原子层在同一个平面内，而磷烯层不是平面。由于SP3杂化作用，黑磷烯原子形成了一个褶皱蜂窝状的表面结构。磷烯的表征黑磷烯的拉曼特征峰有3个，分别在360，435，460cm-1处；拉曼峰位的层数依赖性；拉曼峰强的层数依赖性。磷烯的带隙直接带隙：黑磷烯价带的顶部（最大值处）与导带的底部（最小值处）都位于布里渊区的中心Γ点处；实验测出磷烯的带隙宽度为0.91eV；黑磷烯的导带和价带有着截然不同的分布路径，这说明了黑磷烯有着高度的各向异性的结构特性；二维黑磷烯是一种非常典型的各向异性的直接带隙半导体材料。磷烯的带隙磷烯的带隙是可以通过磷烯的层数来调节的。单层磷烯的带隙值为1.51eV，而五层磷烯的带隙值则为0.59eV。磷烯的带隙K掺杂K掺杂Stark效应诱发垂直电场带隙改变在光电性能方面巨大潜力磷烯的各向异性黑磷具有高度各向异性的电学、光学和力学性能。为新型电子以及光电机械设备的研究指明了方向。弓形锯齿形石墨烯磷烯MoS2力学电学及光学光子学特性黑磷烯具有优异的光子学特性。黑磷烯是直接带隙半导体，电子只需吸收光能，就能从非导转变成导电，这意味着黑磷烯和光可以直接耦合。包括光吸收、发射和调节在内的半导体材料的光电作用都取决于其能带间隙的大小，而黑磷烯的能隙宽度可在0.3至2.0eV之间进行调节，且其能隙可通过黑磷烯的层数及外加电场进行调节，因此，黑磷烯能够吸收和发射波长在0.6至4.0微米之间的光——既包括可见光，也包括红外光。该范围对于黑磷烯在传感器和光学通信方面的应用至关重要。目录1、博士课题2、二维晶体材料的发展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制备5、黑磷烯的应用6、发展与展望4、黑磷烯的制备块状黑磷的制备白磷高温高压法制备黑磷红磷或白磷高能球磨法红磷金属催化法黑磷烯的制备机械剥离法液相剥离法化学合成法高纯度块状黑磷胶带上的薄层黑磷PDMS基体上的薄层黑磷其他基体上的薄层磷烯（1-3层）机械剥离法该方法制备出的薄层磷烯包含一至三层黑磷烯且具有良好的稳定性和结晶性；与传统的机械剥离方法相比，能够获得密度更大、质量更好的单层黑磷烯。Nitto胶带不断剥离将胶带轻轻压在聚二甲硅氧烷基体上并迅速分离将粘有薄层黑磷的基体与其他受主基体轻轻接触后缓慢分离高纯度块状黑磷Si/SiO2基体上的薄层黑磷晶体单层黑磷烯机械剥离法可获得均匀厚度、完美结构以及良好的结晶性黑磷烯，同时可通过控制等离子体的功率及压强来控制磷烯的层数。机械剥离用功率为30W、压强为30Pa的Ar+等离子体在室温下对薄层黑磷晶体进行减薄N-环乙基-2-吡咯烷酮（CHP）溶液+少量的环丙醇（IPA）超声处理稳定的分散系薄层磷烯样品液相剥离法该方法所得晶体结构完整、没有缺陷，可控尺寸的薄层磷烯，这使得黑磷烯可应用在复合材料的增强体（大尺寸磷烯）及催化剂（小尺寸磷烯）等领域。加入黑磷块体离心分离（1000rpm,180min）液相剥离法该方法制备出的3~5层磷烯侧向面积较大，1~3层磷烯侧向面积则较小。N-甲基-2-吡咯烷酮溶液（NMP）超声处理，30℃保温稳定的分散系薄层磷烯样品加入黑磷块体离心分离化学合成法可制备高纯度、大尺寸的薄层磷烯，且制备周期短。Sn（20mg）+SnI4（10mg）+红磷（500mg）放入水平放置的空安瓿瓶的热端置于初始温度为650℃的马弗炉的中间部位在7.5h内使马弗炉温度降低到550℃薄层磷烯化学合成法通过溅射或热沉积的方式在柔性聚酯（PET）基体上沉积一层薄红磷（RP）；后将沉积有薄层红磷的基体放入多砧容器内，在保持常温下对容器加压，直到达到8GPa，形成厚度约为40nm的磷烯。该方法制备的磷烯光学性质相差不大，场效应晶体管的性能：其开关比约为200，载流子迁移率为0.5cm2/(V·s)，载流子迁移率比机械剥离方法制备的磷烯晶体管小目录1、博士课题2、二维晶体材料的发展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制备5、黑磷烯的应用6、发展与展望场效应晶体管也称为单极型晶体管，由多数载流子参与导电。它属于电压控制型半导体器件类别：PN结型场效应管和金属-氧化物半导体场效应管优点：输入电阻高（107～1015Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等场效应晶体管传统的FET半导体多使用三维晶体材料（硅），由于半导体技术的飞速发展，即将到达尺寸瓶颈。由于单层磷烯是带隙值可达到2eV的直接带隙半导体，且其带隙的大小可通过改变原子层数来调节，且磷烯具有很高的载流子迁移率，为磷烯场效应晶体管的实现提供了理论依据。场效应晶体管放大器阻抗变换可变电阻恒流源电子开关磷烯场效应晶体管2014年，复旦大学的张远波、封东来、吴骅三位教授与中国科学技术大学的陈仙辉教授的课题组合作，成功制备了具有能带带隙的二维黑磷的场效应晶体管器件。二维黑磷晶体材料的半导体性能非常好，在纳米电子器件的应用方面有着巨大的潜力。漏电流调制幅度在105量级的可靠的晶体管性能良好的电流饱和效应霍尔系数和电导随栅电压的变化磷烯场效应晶体管Si/SiO2基体上的薄层磷烯晶体管的性能测试结果载流子迁移率达到300cm2/(V·s)漏电流调制率超过103同时表现出电子和空穴的传导良好的电流饱和效应磷烯场效应晶体管Abbas等利用如图所示的场效应晶体管，设计了一种气体传感器，并对该传感器进行了测试，结果表明，利用该气体传感器可以对ppb级浓度的NO2进行测量。FET电导率随着时间的变化电导率与NO2浓度的关系其他应用黑磷烯是直接带隙P型半导体，使其在光学和光电子领域是有很大的应用前景。黑磷烯能表现出唯一的多电子效应，且其电子结构自发地沿着一维方向排列，导致其具有特有的增强自修正能量及激发效应。因此黑磷烯在光电等领域有许多潜在应用价值。黑磷烯能吸收沿扶手椅方向的偏正光，而透射沿锯齿方向的偏正光。这使得该材料在线性偏振器方面有着潜在的应用。黑磷烯的带隙可调节性使其在设计和优化其电子及光电子器件方面有着巨大的灵活性。这表明黑磷烯在制备光电子器件方面是一种很有前途的材料。磷烯光探测器Nathan等研发了一款黑磷烯光探测器，其光学数据转换为电子信号的速率可达3Gbit/s低掺杂和高掺杂黑磷光探测器的宽频响应测试结果黑磷烯光探测器的数据转换速率测试结果气体传感器及纳米传感器薄层磷烯表现出比石墨烯更强的饱和吸收响应，其超快的非线性性能使磷烯在光电子器件方面有着巨大的应用价值；由于NH3对磷烯贡献了电子，使得磷烯变为P型半导体，从而改变了磷烯的阻抗，这为黑磷烯应用在气体传感器及纳米传感器方面提供了现实依据。饱和吸收度浓度与阻抗浓度与信噪比应力-应变曲线杨氏模量抗拉强度拉伸韧性力学的各向异性非线性性能目录1、博士课题2、二维晶体材料的发展3、黑磷烯的性能4、黑磷烯的制备5、黑磷烯的应用6、发展与展望氧化降解黑磷烯存在一个致命的缺陷，那就是当这种纤薄的单晶与周围环境接触时，很容易发生氧化降解。在氧气、水和光的联合作用下二维黑磷单晶很容易发生氧化。封装在氧化铝和聚四氟乙烯的隔层未来的研究热点将会是如何提高黑磷的稳定性，防止其在空气中氧化，保证其能够在日常环境中长时间的正常工作。氧化后出现泡状物粗糙度随时间增加粗糙度随时间增加更快封装后较好制备与大规模生产黑磷烯依然无法大规模生产机械剥离法生产黑磷耗时耗力，且生产的黑磷质量差，层数不可控，黑磷烯过于碎片化；液相剥离法无法生产大片的黑磷；而化学合成法生成的黑磷晶粒小，载流子迁移率小。随着科学家们的努力，石墨烯的大规模工业生产已经成为现实，相信不久的将来，黑磷烯的大规模工业化生产也必将实现。