黑磷与石墨烯的文献
下一个市场爆发点:堪比石墨烯的“梦幻材料”黑磷
下一个市场爆发点:堪比石墨烯的“梦幻材料”黑磷
北极星输配电网讯:【摘要】作为刚刚兴起两三年的新材料,石墨烯行业尚处于资本和产业群雄逐鹿时代。
然而,另一种新型单元素二维原子晶体材料黑磷被发现,与石墨烯类似,黑磷具有诸多优异特性,故被称为比肩石墨烯的梦幻材料。
黑磷的研究和应用才刚开始,其非线性光学特性被国内外多家单位证实并应用于超快激光的产生中。
可以预见不久的将来,它将成为第二个石墨烯。
首先,我们来了解一下石墨烯和黑磷究竟是什么东西?
石墨烯(二维碳材料)
手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。
石墨烯是什么?
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
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,两人也因此共同获得2010 年诺贝尔物理学奖。
石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200 倍。
同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。
它是目前自然界最薄、强度最高的材料,假如用一块面积1 平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1 毫克便可以承受一只一千克的猫。
石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。
用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。
二维纳米材料黑磷的光电特性研究进展
范德 华 力作用 【7】。黑磷 独特 的褶皱结 构,使它 展现 出 性 ,在生物 医学领 域具 有其他 无机 纳米材 料不 具备 的
有别 于 其他 二维材 料 的优 异性 质和应 用 。首先 ,与 石 天 然 优 势 。 本 文 主 要 介 绍 了 黑 磷 的 几 种 制 备 方 法 , 并
第 38卷 第 4期 2018年 08月
物 理 学 进 展
PROG RESS IN PHYSICS
Vo1.38 N O.4 A ug. 2018
二维 纳 米 材 料 黑磷 的光 电特 性研 究进 展
尤 凯熹,范涛健 ,葛颜绮 ,张 晗
深 圳大学黑磷 光电I程实验 室,光电协同刨新中心,光 电I程学院
关键 词:二维材料;黑磷制备;光电特性;光电应用
中图分类号 : 0799 文献标 识码 : A
DOI:10.13725/j.cnki.pip.2018.04.002
3
M 4 4 5 5 6
6 6 7 7
" " " " " " 8 8 8 O 0 O l l
文章编号:1000—0542(2018)04—0163—12
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(a)
尤凯熹等:二维纳 米材料 黑磷的光电特 性研究进展
(c)
团
(b)
C
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a
C
图 1.(a)和 (b)在 ac和 平面 t的 单层 BP 的投影 。上 部和下部原子 分别 以浅色和深色 呈现 。(C)品胞 的示意图 .  ̄_1 /-J 卡啊 邻层之间的 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2单位的偏移 [71
分 稳 定 。层 内 具 有 较 强 的 共 价 键 , 并 还 留 有 个 的 电 胞 中 , 一 个 成 人 体 内就 含 有 600 ̄900 g 的磷 , I 人 体
有关石墨烯的文献
石墨烯作为一种由单层碳原子组成的二维材料,自发现以来就引起了广泛的研究兴趣。
它在许多领域,如电子学、能源和材料科学,都展示了其独特的性质和潜在的应用。
以下是几篇关于石墨烯的重要文献,具体内容可能涉及石墨烯的结构、性质和应用等方面的研究。
1. 王中林团队在《科学》杂志上发表的关于石墨烯的论文,对石墨烯的性质和应用进行了深入的探讨。
文中详细阐述了石墨烯的电子结构、力学性质以及在电子器件和能源领域的应用。
同时,也讨论了石墨烯制备的新方法及其工业化可能面临的挑战。
2. 另一篇重要的文献是来自曼彻斯特大学的关于石墨烯场效应管的论文。
该论文详细研究了石墨烯中的电荷转移和电子输运行为,这些研究对于理解石墨烯的物理性质和开发新的石墨烯器件至关重要。
3. 赵东保团队的论文详细研究了石墨烯的化学稳定性。
这篇文章讨论了石墨烯在各种化学环境中的稳定性,这对于石墨烯的实际应用和长期稳定性至关重要。
4. 还有一篇文献对石墨烯的制备技术进行了深入探讨,包括化学气相沉积、机械剥离、以及在溶液中的制备方法等。
文章分析了各种制备方法的优缺点,并讨论了如何进一步提高石墨烯的质量和产量。
5. 最后,一篇综述文章汇总了近年来石墨烯在各个领域的研究进展,包括电子学、光学、磁学、生物医学等。
这篇文章为读者提供了石墨烯研究的全面概述,有助于了解石墨烯在不同领域的应用前景。
以上文献均对石墨烯的性质、结构和应用进行了深入的研究和探讨,但具体的内容可能会因研究角度和数据更新而有所不同。
此外,石墨烯的研究是一个持续发展的领域,新的研究成果和方法也层出不穷,因此阅读最新的研究文献是获取最前沿信息的关键。
基于石墨烯和黑磷的太赫兹窄带吸收结构。
基于石墨烯和黑磷的太赫兹窄带吸收结构。
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关于石墨烯的参考文献
关于石墨烯的参考文献石墨烯是由未来材料学大师安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)于2004年发现的一种新型碳材料。
这种材料的发现颠覆了传统碳材料的应用前景和开拓领域。
以下是对石墨烯的参考文献的内容生动、全面、有指导意义的分析和总结。
1. 《石墨烯基纳米复合材料在生物医学领域的应用研究综述》本文详细分析了石墨烯基纳米复合材料在生物医学领域的应用。
石墨烯因其出色的导电性、导热性和高强度,被广泛地应用于生物医学领域。
将石墨烯与纳米材料复合可以改善石墨烯的可溶性和生物相容性,扩展了其应用范围。
这篇文章通过实例和案例详细阐述了石墨烯基纳米复合材料在生物医学领域中的特点和应用。
2. 《石墨烯光电器件的研究进展与展望》本文介绍了石墨烯光电器件在研究方面的进展和展望。
石墨烯具有极高的光电转换效率和广泛的吸收光谱范围,这使得它在制作光电器件方面具有天生优势。
在这篇文章中,作者以石墨烯光电器件的制备和性能控制为切入点,通过回顾石墨烯光电器件的研究进展,提出了一些可能的研究方向和未来发展趋势。
3. 《石墨烯复合材料填充剂的制备及其应用研究》本文主要研究石墨烯复合材料填充剂的制备及其应用研究。
石墨烯的出色性能和纳米级别的粒度,使其成为一种理想的高效填充剂。
在石墨烯掺杂的材料中,它能够显著提高材料的强度、硬度和热导率等性能。
这篇文章通过实验研究探索了石墨烯复合材料填充剂的制备方法和应用场景,并提出了具体的操作规范和注意事项。
4. 《石墨烯电池的制备与应用研究》本文重点研究了石墨烯电池的制备和应用。
石墨烯因其出色的导电性和机械性能,成为电池制备领域不可或缺的材料。
在石墨烯电池的制备和应用方面,本文详细介绍了纳米和复合石墨烯电极的制备方法、应用场景和性能等方面的特点。
基于实验结果,文章提出了石墨烯电池应用的展望和未来可能的研究方向。
总之,石墨烯是一种未来具有巨大潜力的材料。
石墨烯相关研究文献汇总
石墨烯相关研究文献汇总1.取少量鳞片石墨溶于芘-1-磺酸钠盐(Py-1-SO3)溶液,然后对溶液进行超声分散、离心洗涤,然后取上层溶液,进行表征。
经AFM 测试可知石墨片大小在0.2~0.4um,厚度在1~4nm。
从拉曼光谱得知,提高超声的处理时间可以减小石墨片的大小,并能得到较高的D 峰。
具体实验:取1mg芘-1-磺酸钠盐溶于10ml 蒸馏水中,并向其中加入30mg 鳞片石墨,超声80min后,离心(1000rpm,20min)去除大块未剥离的石墨,然后对上层液再离心(12000rpm,20min)收集上层液,向离心管下层加蒸馏水超声后再次离心收集上层液,如此重复三次。
将四次收集的上层液再次离心,去除石墨微粒,即为石墨烯分散液。
本文献还采用芘的其他磺酸盐和NMP进行分散作为对比研究。
文献:A simple method for graphene production based on exfoliation of graphite in water using 1-pyrenesulfonic acid sodium salt. Carbon,53 (2013) 357 –365.2.将天然石墨溶于IPA(2-丙醇)或DMF(二甲基甲酰胺)有机溶剂中,然后对溶液进行超声分散、离心后取400ul上层液,进行表征。
具体实验:取适量天然石墨分散在2-丙醇或者DMF中(1mg/mL),然后对溶液进行长时间超声,离心取上层溶液(400ul),滴于多孔无定形碳上(400目)进行TEM测试,另取400ul滴于氧化硅基底或者玻璃基底上,进行SEM及拉曼测试。
本文对不同的超声时间、有机溶剂以及超声时水的温度做了系统的探究,得出以下结论:随着超声时间的增加,石墨的碎片化显著增加(通过拉曼光谱ID /IG=C(λ)/La,La石墨碎片的平均尺寸);石墨分散在一些与其表面自由能相近的溶剂中,其混合后的晗变接近于零,这样剥离石墨烯所需的能量较小(这样溶剂-石墨的相互作用是范德华力而不是共价键)。
新型二维晶体材料——磷烯综述——博士生《材料科学与工程选论》
北京科技大学材料科学与工程学院博士生《材料科学与工程选论》学习报告报告题目:新型二维晶体材料——黑磷烯学号:作者:越迷贝贝导师:专业名称:材料科学与工程2016年5月8日北京科技大学材料科学与工程学院博士研究生《材料科学与工程选论》课程报告目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言 (1)2 二维晶体材料的发展 (2)2.1二维晶体材料的发展背景 (2)2.2二维晶体材料的优越性 (4)3 黑磷烯的性能 (6)3.1 黑磷烯的晶格结构 (6)3.2黑磷烯的表征 (7)3.3 黑磷烯的带隙 (8)3.4 黑磷烯的各向异性 (11)3.5 黑磷烯的光子学特性 (13)4 黑磷烯的制备 (15)4.1 机械剥离法 (15)4.2 液相剥离法 (17)4.3 化学合成法 (19)5 黑磷烯的应用 (21)5.1 场效应晶体管 (21)5.2 其他应用 (24)6 发展与展望 (27)参考文献 (29)摘要随着信息技术的不断发展,传统三维半导体材料即将到达瓶颈。
而新型二维晶体材料——黑磷烯很有希望替代传统半导体材料。
作为刚发现的一种二维晶体材料,黑磷烯的研究仍然处于起步阶段。
本文综述了黑磷烯拥有的独特性能,现有的制备方法及可能的应用领域等。
黑磷烯具有褶皱蜂窝状结构,其二维晶体结构类似石墨烯,非常稳定。
黑磷烯具有直接带隙,且其带隙能随着黑磷烯的层数改变而在0.3eV-2eV之间改变。
因为其独特的晶体结构,黑磷烯在光学、电学及力学方面都有不同于其他二维晶体的各向异性。
黑磷烯的制备目前主要有3种方法,包括机械剥离法、液相剥离法和化学合成法。
由于黑磷烯优异的各项性能,使得它在场效应晶体管及光电设备等方面都有非常广阔的发展前景。
但是,黑磷烯的大规模应用目前来看还需努力。
因为黑磷烯存在两大问题:其一,在空气中非常不稳定,容易老化;其二,目前的制备方法仍然无法大规模低成本地制备出可供工业应用的黑磷烯。
关键字:二维晶体材料,黑磷烯,半导体,性能,制备Black Phosphorene,a New Kind of 2-D Crystal MaterialAbstractAs the development of information technology, the development of traditional 3-D materials will reach the bottlenecks before long. The new kind of 2-D crystal material, black phosphorene, is regarded as an alternative to the traditional 3-D materials. Black phosphorene was discovered in the recent years, and the research of black phosphorene is still in its infancy. This paper reviews the unique properties, the preparation methods and the possible application areas of black phosphorene. Black phosphorene has a direct band-gap, which ranges from 0.3eV to 2eV as the layer changes. Because of the special crystal structure, black phosphorene displays anisotropic in optical, mechanical and electrical properties. Heretofore, there are 3 kinds of preparation methods of black phosphorene, including mechanical exfoliation, liquid exfoliation and chemical synthesis. It is acknowledged that black phosphorene can play a big role in the field of field effect transistor(FET) and photoelectric equipment because of its excellent performances. However, many works remain to be done for the practical application of black phosphorene. More attention should be paid to two problems: firstly, black phosphorene is not stable in the air and it is easy to aging; secondly, black phosphorene is difficult to put into mass production by current reparation methods.Key words: 2-D crystal material, Black phosphorene, Semiconductor, Property, Preparation1 引言从石器时代到青铜时代、铁器时代,再到现代的信息时代,人类社会文明的发展史从某个意义上来说也是一部材料的进化史。
黑磷的制备及储能应用研究进展
Vol.53 No.6June,2021第53卷第6期2021 年 6 月无机盐工业INORGANIC CHEMICALS INDUSTRYDoi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0245开放科学(资源服务)标志识码(OSID )黑磷的制备及储能应用研究进展蒋运才1 袁2袁3袁4袁李雪梅 r 吴兆贤 r 曹昌蝶1袁梅 毅心,廉培超1袁2袁3(1.昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650500;2.云南省磷化工节能与新材料重点实验室;3.云南省高校磷化工重点实验室;4.昆明黑磷科技服务有限责任公司)摘 要:黑磷作为一种新型的精细磷化工产品,因其高的理论比容量、高的载流子迁移率及良好的导电性而在储能 领域具有很好的应用前景。
近年来,针对黑磷、纳米黑磷的制备及其储能应用,涌现岀了许多新技术、新方法与新策略。
在黑磷的制备方面,开发了加压法(高压法、机械球磨法)和催化法(祕熔化法、汞回流法、矿化法)制备技术,但仍未能实现 黑磷的连续化制备;在纳米黑磷的制备方面,开发了自上而下法(机械剥离法、超声剥离法、剪切剥离法、电化学剥离法)和 自下而上法(溶剂热法、化学气相沉积法),然而,高质量、高产率纳米黑磷的精确可控制备技术还有待开发。
此外,黑磷在应用于储能领域时,大的体积膨胀使得电池储能性能变差,通过纳米化并与其他材料复合制备纳米黑磷基复合材料,发挥协同作用,一定程度上能够缓解以上问题。
从黑磷、纳米黑磷的制备及其在储能领域的应用三个方面进行综述,旨在为 高品质黑磷及纳米黑磷的高效率、低成本、可控及规模化制备提供借鉴思路,为其在储能领域的发展方向奠定基础。
关键词:黑磷;纳米黑磷;制备技术;纳米黑磷基复合材料;储能中图分类号:TQ126.31 文献标识码:A 文章编号:1006-4990(2021)06-0059-13Research progress on preparation and application in energy storage of black phosphorusJiang Yuncai 1,2,3,4,Li Xuemei 1,2,3,4, Wu Zhaoxian 1,2,3,4,Cao Changdie 1 袁 Mei Yi 1,2,3, Lian Peichao 1,2,3(1.Faculty of Chemical Engineering , Kunming University of S cience and Technology , Kunming 650500, China ;2.Yunnan Province Key Laboratory of E nergy Saving in Phosphorus Chemical Engineering and New Phosphorus Materials ;3.The Higher Educ r ational Key Laboratory f or Phosphorus Chemical Engineering of Y u nnan Province ;4.Kunming Black Phosphorus Technology Service Limited Company)Abstract : As a novel fine phosphorus chemical product , black phosphorus has a promising application prospect in energy ator-age due to its high theoretical specific capacity , high carrier mobility, and good conductivity.In recent years , many new techno logies , methods , and strategies have been emerged for the preparation and energy storage application of black phosphorus and nano-black phosphorus.In terms of the preparation of black phosphorus , the prepared techniques of pressurized method (highpressure method ,mechanical ball milling method ) and catalytic method (bismuth melting method ,mercury reflux method and mineralization method ) have been developed.However, the continuous preparation of black phosphorus was still not realized ; in the aspect of the preparation of nano-black phosphorus , the top-down method (mechanical stripping , ultrasonic stripping ,shear stripping , electrochemical stripping ) and bottom-up method ( solvothermal method , chemical vapor deposition method )have been developed.Nevertheless ,the precise controllable preparation technology of high-quality and high-yield nano-black phosphorus has yet to be developedAdditionally ,when black phosphorus is applied in energy storage , the occurrence of large volumeexpansion would lead to poor energy storage performance of t he battery.The nano-black phosphorus matrix composites are prepared by nanosizing and compounding with other materials to play a synergistic role , which can alleviate the above problem to a certainextent.The three aspects including the preparation black phosphorus and nano-black phosphorus , and its application in energy storage were reviewed , aiming to provide a reference idea for efficient , low-cost , controllable and largescale preparation ofblack phosphorus and nano-black phosphorus, and lay the foundation for its development direction in the field of energy storage. Key words : black phosphorus ; nano black phosphorus ; preparation techniques ; nano black phosphorus matrix composite ma-terials ; energy storage随着世界各国经济的繁荣发展,全球对能源的 需求量与日俱增,大量使用化石能源所带来环境污染的问题逐渐凸显。
二维黑磷的光学性质
专题—原子制造:基础研究与前沿探索二维黑磷的光学性质*黄申洋1) 张国伟2) 汪凡洁1) 雷雨晨1) 晏湖根1)†1) (复旦大学物理学系, 上海 200438)2) (西北工业大学柔性电子研究院, 西安 710129)(2020 年9 月8日收到; 2020 年9 月23日收到修改稿)黑磷是继石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)之后又一个备受关注的二维材料. 黑磷从单层到块材都是直接带隙半导体, 且带隙从单层的1.7 eV一直随着层数的增加而减小, 到块材则变为0.3 eV, 涵盖了可见光到中红外波段, 恰好填补了石墨烯和过渡金属硫族化合物的带隙在该波段的空白. 同时, 黑磷还具有很高的载流子迁移率、良好的调控性、面内各向异性等优异特性, 很快便引起了人们广泛的研究兴趣. 本论文主要介绍了当前有关二维黑磷光学性质方面的研究进展, 包括黑磷的本征光学性质, 如带间跃迁吸收、激子、光致发光、光学性质的稳定性; 外界微扰, 如应变、电场等对黑磷光学性质的影响; 最后做了总结与展望.希望本文对黑磷光学性质研究的综述, 能够引起对黑磷研究的更广泛兴趣.关键词:二维材料, 黑磷, 光学性质, 红外光谱PACS:78.67.–n, 78.40.–q, 73.21.–b DOI: 10.7498/aps.70.202014971 引 言2004年石墨烯的问世[1]标志通往二维材料世界的大门被打开. 经过科学家们的不断探索, 至今已有几百种二维材料相继被发现[2−4], 材料的种类包含了二维半金属、二维半导体、二维绝缘体, 二维铁磁材料等. 二维材料中蕴含了丰富有趣的物理现象, 如半整数量子霍尔效应[5,6]、Klein隧穿等[7];另外二维材料表面原子级平整且不受晶格匹配的限制, 不同的二维材料之间可以如同堆积木方式相互堆叠形成范德瓦耳斯异质结[8], 从而进一步丰富了二维材料的物理特性, 如: 在魔角石墨烯中的反常超导[9], 石墨烯-氮化硼莫尔超晶格中的霍夫斯塔特蝴蝶(Hofstadter’s butterfly)及分数量子霍尔效应[10], 超长寿命的层间激子[11]和莫尔激子[12],可调控的莫特绝缘体[13−15]等, 使得二维材料具有极其广泛的研究与应用价值.二维黑磷是2014年才加入二维材料的大家族, 最早是由复旦大学Li等[16]进行了研究报道,他们展示了基于少层黑磷制成的场效应晶体管(FET)不仅具有高达105的开关比, 同时室温下具有不俗的载流子迁移率(约1000 cm2/V). 随后二维黑磷以其优异的性质很快引起了人们广泛研究兴趣, 在2014—2015年一年间就有近百篇关于黑磷的研究论文发表[17]. 不同于石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)等其他的二维材料, 黑磷具有以下特性. 1)黑磷具有面内褶皱的原子结构(如图1),具有很强的面内各向异性; 通常把沿着x方向称为扶手椅方向(AC), 把沿着y方向称为Z字形方向(ZZ); 这种独特面内晶体结构也导致了黑磷各向异性物理特性[18−21], 这不仅提供了各向异性材料* 国家重点研发计划(批准号: 2016YFA0203900, 2017YFA0303504)和国家自然科学基金(批准号: 11874009, 11734007, 11804398)资助的课题.† 通信作者. E-mail: hgyan@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 物理特性的研究平台, 同时可为器件设计提供新的自由度. 2)黑磷从二维的单层、少层到三维的块材都为直接带隙半导体, 并且黑磷的带隙随厚度变化十分显著, 带隙可从单层的1.7 eV随着厚度的增加逐渐缩减至块材的0.3 eV[22,23], 覆盖了中红外到可见光波段, 这恰好填补了零带隙的石墨烯和带隙在可见光的TMDCs间的空白, 带隙变化范围之广也是其他的二维材料所不能比拟的. 当前有关黑磷的研究已经取得了相当多的研究成果, 本文则主要介绍有关黑磷光学性质方面的研究. 主要包括二维黑磷本征的光学性质和调控两部分, 其中在本征的光学性质部分将会对黑磷的带间跃迁吸收、激子效应、光致发光、光学性质的稳定性等研究展开介绍,而在光学性质的调控部分主要对应变调控、栅压调控等研究展开介绍, 并在最后做了总结与展望.(ZZ)(AC)(a)(AC)(b)图 1 黑磷的原子结构 (a)两层黑磷的原子结构的立体图; (b)侧视图Fig. 1. Atomic structure of BP: (a) Structure of bilayer BP;(b) the side view.2 二维黑磷的本征光学性质2.1 二维黑磷的带间跃迁吸收带间跃迁吸收是半导体材料最基本的光学性质之一, 通过对带间跃迁吸收的研究可以获得带隙、光电导等重要的信息. Li等[24]对1—5层黑磷的带间跃迁吸收做了研究报道, 他们对77 K下蓝宝石衬底上黑磷进行了近红外、可见光波段反射谱表征(D R/R), 如图2(a)—(c)所示, 其中黑色、红色线条分别代表了入射光偏振沿着AC, ZZ方向时的反射谱. 当测试样品在透明衬底上且样品的厚度远小于入射光波长时, D R/R正比于吸收强度[25,26],由此便可得到吸收信息. 可以看到单层的光学带隙吸收在1.73 eV, 并且只有入射光偏振沿着AC时才可以被观测到, 说明黑磷带间跃迁吸收具有明显各向异性. 这源自黑磷独特的褶皱面内原子结构,具体来说黑磷面内原子结构关于x-z平面具有镜面对称(见图1), 同时理论计算表明二维黑磷的价带顶和导带底且主要由s, p x, p z轨道构成并且关于x-z镜面具有偶宇称[22,27], 因此当入射光沿着ZZ (y轴)时存在关于x-z镜面的奇宇称使得跃迁矩阵元为0, 跃迁被禁止. 另外值得注意的是, 两层黑磷的光学带隙红移至1.15 eV, 同时在2.44 eV出现了新的吸收峰, 而3层带隙为0.83 eV, 新的峰则红移到1.97 eV. 几乎在同一时间, Zhang等[28]采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术对室温下石英衬底上的2—15层红外波段吸收的进行了研究(如图2(d)—(f)), 得到了同样的实验现象. 事实上这些新的吸收峰是少层黑磷中的层间相互作用的产物[27]: 对于N层黑磷, 层间相互作用使得倒空间G点处成N对分离的导带(c1, c2, ···, c n)和价带(v1, v2, ···, v n), 新的吸收峰则是更高阶数的价带到导带间的跃迁, 如v2—c2, v3—c3等跃迁(如图2(h)), 另外如同量子阱中的选择定则要求, 只会有导带和价带指数相同的即D n = 0跃迁. 关于带间跃迁吸收峰位的层数依赖, 可以通过一维紧束缚模型得到吸收峰位关于层数N以及跃迁阶数n的解析表达式:E g0γc(γv)其中, 为单层的带隙, 为导带(价带)最近邻层间相互作用. 虽然该模型没有考虑激子效应, 但仍然可以较好的描述带间跃迁吸收的层数及跃迁阶数的依赖关系(如图2(g)).k·pA(ℏω)少层黑磷带间跃迁吸收的峰位具有明显层数依赖关系, 但是有意思的是Zhang等[29]最近研究发现带隙附近连续的带间跃迁吸收(图3(a)中箭头所指部分)却为一个常数, 并通过模型进一步得出吸收可以表达为g s,g vαE gµx,µyθ(ℏω−E g)其中, 分别为自旋、能谷简并度, 为精细结构常数(约1/137), 为带隙, 分别为沿着AC 方向和ZZ方向的电子-空穴约化质量,µy ,µx 为阶跃函数. 由此可知在带隙附近的吸收只取决于间的比值, 对从第2个价带到第2个导带(E 22)的吸收也是如此(如图3(b)所示). 其实这种连续的带间跃迁吸收强度为常数的现象普遍存在于二维材料中, 比如单层石墨烯中从红外到可见波段吸收都为2.3%[25,30]. 可以由费米黄金法则(Fermi-golden rule)知连续的带间吸收大小主要取决于两部分, 即跃迁矩阵元和态密度, 并且二者都依赖于能带结构, 而当二者有关能带结构的表达项相抵消时, 则会出现吸收强度的为常数的情况. 然而黑磷µy ,µx 与石墨烯等其他二维材料[25,30]截然不同的是, 单层和少层黑磷的连续带间跃迁吸收都是相同的, 即没有层数依赖(见(2)式), 而对于石墨烯而言, 两层吸收是单层的2倍, 这主要是因为黑磷带间跃迁发生在倒空间G 点, 各个子带是非简并, 不论单层还是少层黑磷, 始终只有一对价带、导带参与带间跃迁吸收, 同时 基本保持不变, 所以即使层数增加吸收强度也不变; 而石墨烯等带间跃迁发生在K 点, 各子带为简并的, 层数越厚参与跃迁的子带数目越多从而带间吸收越强.30151.01.5 1 layersPhoton energy/eV2.0 2.5D / /%-polarization -polarization(a)60301.0 1.5 2 layersPhoton energy/eV2.0 2.5III(b)6030III1.01.5 3 layersPhoton energy/eV2.0 2.5(c)6420.40.60.811227 layersPhoton energy/eV1.21.0E x t i n c t i o n 1- / 0/%(d)96300.40.60.8 11 22 334413 layersPhoton energy/eV1.2 1.0(e)400.20.40.6BulkPhoton energy/eV 1.00.8302010(f)Polarization:Armchair Zigzag2.01.61.20.8246Layer numberBulk bandgap Upper limit11 2233 448121014P e a k e n e r g y /e V0.4(g)1122c1c2v1v2(h)图 2 二维黑磷的带间跃迁吸收 (a)−(c) 1−3层黑磷的反射谱(D R /R )[24]; (d)−(f) 7层、13层和块材黑磷的红外消光谱(1–T /T 0)[28]; (g) 带间跃迁吸收峰随层数依赖关系[28]; (h) 不同量子数子带间的跃迁示意图Fig. 2. Interband transition absorption of 2D BP: (a)−(c) Reflection spectra(D R /R )[24] of 1−3 layers BP; (d)−(f) infrared extinction spectra of 4 layers, 7 layers, 13 layers, and bulk BP [28]; (g) interband transition energy as the function of layer number [28]; (h) schema-tic illustration of the optical transitions between quantized subband.2.2 二维黑磷中的激子通常在半导体材料中, 电子和空穴由库仑作用束缚在一起形成新的准粒子—激子. 激子与氢原子非常类似, 都是由正负电荷构成, 吸收谱为洛伦兹谱形. 类比于氢原子可以将激子的能态按量子数依次命名为1s 态、2s 态、2p 态等. 其中1s 态为基态也称光学带隙, 而能带结构的带隙与光学带隙的差值称为激子束缚能. 对于三维半导体, 激子束缚能通常只有十几个meV, 因此室温下激子效应几乎可以忽略. 而在二维材料中, 由于介电屏蔽作用的减弱及量子受限效应, 激子束缚能可高达几十到上百个meV [31,32], 此时激子效应便对材料的光学性质起到了不容忽视的作用. 早在2014年Tran 等[33]就对单层黑磷的激子束缚能做了计算, 结果表明单层黑磷的激子束缚能高达900 meV, 他们将如此大的激子束缚能归于黑磷各向异性能带结构. 紧接着在2015年Wang 等[34]对单层黑磷进行了光致发光激发光谱(PLE)实验, 同样得到单层黑磷即便在氧化硅/硅衬底上激子束缚能也有近900 meV. 但之后却有理论计算表明[35], 悬浮的单层黑磷激子束缚能只有480 meV, 这几乎是之前结果的一半, 而被包裹的单层黑磷激子束缚能只有140 meV, 因此关于单层黑磷激子束缚能的大小仍然存有争议. 随后Zhang 等[36]利用FTIR 对2—8层黑磷的激子束缚能做了详细的研究: 得益于极高的样品质量, 光学带隙处可测到一个非常尖锐(半高宽约为20 meV)吸收峰, 这便是1s 态激子的吸收(如图4(a)), 此外在高于1s 态吸收峰位存在一个吸收较弱且较宽的吸收峰是激子2s 态的吸收, 2s 态吸收在2—6层中都可以被清楚观测到,而在7层及更厚的样品中则难以被分辨. 在二维氢原子模型中, 由1s 态和2s 态的能量差D 12可确定束缚能E b , 即E b = 9/8D 12, 然而对于二维材料中的激子情况则不同, 这是因为二维材料中库伦屏蔽作用是空间非局域化的[31], 为此Zhang 等 [37]借助Keldysh 模型进一步计算了2—6层黑磷激子的1s, 2s 能级位置和带隙E g , 其中计算得到1s,2s 的能级位置与实验观测值相一致从而确保了计算结果的可靠性. 如图4(b)所示, 黑磷激子束缚能E b 为D 12的两倍, 从2到6层依次为213, 167,139, 120, 106 meV, 在聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上单层黑磷的则为316 meV. 显然黑磷激子束缚能E b 具有明显的层数依赖关系, 为此Zhang 等[38]在已有的模型基础上提出了层数依赖的有效层极化率的概念, 从而得到黑磷激子束缚能E b 关于层数N 的解析表达式为:α0,α1其中, 分别为衬底和单层黑磷的极化率. 如图4(c)所示, 该模型可以很好的对不同层数激子束缚能进行拟合. 由于该模型只含有描述介电屏蔽作用的物理参量—极化率, 并没有考虑量子限制效应, 因而可以认为厚度对激子束缚能的影响主要是由介电屏蔽作用的改变而引起的.L z ·|φex (0)|2L z 随后Zhang 等[29]对少层黑磷激子吸收强度做了研究. 令人惊讶的是, 黑磷层数越薄激子吸收反而越强, 正如图4(d)所示. 对此比较直观的理解为: 激子的吸收强度正比于 , 其中 为0.40.6Photon energy/eV 0.81.022116 layers1.296O p t i c a l c o n du c t i v i t y / 030(a)23Layer number45672.01.51.0C o n t i n u u m c o n d u c t i v i t y / 00.5@band edge11 22(b)图 3 少层黑磷带隙附近连续的带间跃迁吸收 (a)聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上6层黑磷的光电导[29]; (b) 不同子带间的带间跃迁带隙处连续吸收部分的吸收强度(图(a)中箭头所示)随层数的变化[29]Fig. 3. The absorption of continuum part near bandgap in few-layer BP: (a) Optical conductivity of 6 layers BP on PDMS sub-strate [29]; (b) the continuum height of each subband transition near the corresponding band edge (as indicated by arrows in fig. 3(a))is plotted as a function of layer number [29].|φex (0)|2|φex (0)|2|φex (0)|2∝1/L 2z L z (N )χ0+Nχ1χ0+Nχ1χ0样品的厚度, 为在电子和空穴出现在同一位置的概率[39,40], 更薄的层数具有更强的量子限制效应, 从而将导致更大的 , 对于量子阱有[41], 从而可以得到激子的吸收强度和厚度 成反比的关系, 即层数越薄吸收反而越强. 然而实际上激子吸收强度随厚度的变化不完全遵循1/N 的关系(如图4(d)中虚线所示). 为了能够更准确地描述激子吸收强度的层数依赖关系,Zhang 等提出了进一步的解释, 他们认为激子的吸收强度与激子束缚能成正比, 这是符合预期的, 因为更大的激子束缚能意味着电子与空穴离得更近从而更有利于吸收光形成激子态. 根据之前的结论可知激子的束缚能和有效极化率( )成反比,从而激子吸收强度也反比于( )(如图4(d)中红线所示). 值得注意的是, 对于悬浮的黑磷(即不考虑 )激子吸收的强度仍然遵循1/N 的关系.2.3 二维黑磷的光致发光光致发光(PL)为吸收的逆过程, 为半导体材料的另一个重要光学性质. 黑磷从单层到块材都为直接带隙半导体, 因此具有较高的发光效率, 这非常利于在发光器件如激光器、发光二极管中(LED)的应用. 当前已经有不少关于二维黑磷PL 的研究报道[24,34,42,43]. 然而在不同研究报道中PL 峰位有不小的差异, 这源自黑磷样品质量的差异. 值得注意的是PL 对样品的质量是非常敏感的, 因此PL 并不是一种好的手段来研究带隙, 相比之下从吸收谱得到带隙信息更本征. Likai Li 等[24]对77 K 下1—3层黑磷的PL 做了测试并与吸收做了对比(如图5(a)—(c)所示), 其中在黑磷共振吸收的位置可以观测到非常强的PL 信号, 这正是直接带隙的特征. 由于PL 过程为吸收的逆过程, 因此黑磷的PL 也是具有明显的各向异性, 其发光具有线偏振的04820 meV 11120.40.60.82s1sPhoton energy/eV1- / 0/%1.01.21.4Armchair Zigzag(a)0.60.81.01.21.423Layer numberE n e r g y /e V4561s 2s g(b)0.10.40.30.223Layer numberI n t e g r a t e d e x c i t o n a b s o r p t i o n /e V S457611 22(d)50350300250200150100123Layer number b /m e V45876Data Fit(c)1/(χ0+Nχ1)图 4 层数依赖的激子 (a) PDMS 衬底上4层黑磷的消光谱[36]; (b) 1s, 2s 能级以及电子结构带隙的层数依赖[36]; (c) 激子束缚能的层数依赖关系[36]; (d) 激子吸收峰的积分面积随层数的变化, 散点为实验数据点, 黑色曲线为1/N 曲线, 红色曲线为 拟合曲线[29]1/(χ0+Nχ1)Fig. 4. Layer dependent exciton: (a) The extinction spectrum of 4 layers BP on PDMS substrate [36]; (b) layer dependence of 1s, 2s transition energies and quasi-particle bandgap [36]; (c) scaling behavior of exciton binding energy with layer number [36]; (d) the fre-quency-integrated conductivity of the 1 s exciton as a function of layer number. Dots are experimental data, which fitted by the red curve using the relation , and the black dashed curve shows the 1/N relation [29].特性且偏振沿着AC 方向. 值得注意的是这里PL 峰位要略低于吸收峰的, 通常将二者的差值称为斯托克斯位移, 造成斯托克斯位移主要是位于禁带中的缺陷态发光造成. 最近Chen 等[43]利用FTIR 对4.5 nm(9层)—46 nm 厚的黑磷做了PL 探测, 发现黑磷在0.308 eV (46 nm)至0.441 eV (4.5 nm)的中红外波段同样具有非常强的PL (图5(d)), 并且PL 峰位的厚度依赖关系与之前吸收光谱中的相吻合(图5(e)), 从而进一步验证了黑磷从单层到块材都为直接半导体.2.4 二维黑磷光学性质的稳定性虽然黑磷本身具有许多优异的性质, 但二维黑磷在空气中是非常不稳定的[44−46], 这非常不利于黑磷在实际中的应用. 黑磷具有5个价电子, 其中只有3个配对形成共价键留下2个未配对的价电子, 这导致了黑磷非常容易被氧化形成氧化磷(P x O y ),而氧化磷又易溶于水从而进一步破坏黑磷的结构,从而影响黑磷的电学、光学等性质. 其中Wang 等[47]对少层黑磷的光学性质稳定性进行了研究报道. 如图6(a)所示, 对于3层黑磷即使在空气中只有5 min, 吸收峰出现明显的蓝移并伴随着强度的减弱及峰宽的增加, 同时研究还发现层数越薄的黑磷,吸收峰位对空气越敏感(如图6(b)), 而这些吸收峰位的移动源自黑磷能带结构的变化, 对此Wang 等借助量子阱模型做出了解释: 可以将本征的黑磷视为无限深方量子阱, 以导带变化的情况为例, 由于表面被氧化形成氧化层从而在阱底引入了附加势垒D (见图6(b)中的插图), 这会导致黑磷量子阱有效宽度减小从而能级出现蓝移, 相应的吸收峰蓝移, 进一步数值计算表明阱宽越窄量子阱的能级对附加势垒高度越敏感. 随着时间增加, 等效的氧化层厚度不断增加直至表面1层黑磷完全被氧化,此时3层的黑磷减薄为2层, 相应的吸收也蓝移至150.81.0Energy/eVI n t e n s i t y /a r b . u n i t s1.21.41050(b)10.80.9Energy/eVI n t e n s i t y /a r b . u n i t s1.01.1(c)3 1.61.8Energy/eVI n t e n s i t y /a r b . u n i t s2.02.221(a) -polarization -polarization D1.0 4.84.44.0 3.6Wavelength/m m3.22.80.80.60.40.2250300350400450Energy/meV I n t e n s i t y /a r b . u n i t s5000(d)4.5 nm 6.0 nm 7.0 nm 10.0 nm17 nm 30 nm 46 nm450420390360330020406080Layer numberB a n d g a p /m e V100300(e)Experiment Fitting curve图 5 二维黑磷的光致发光 (a)−(c) 77 K 下单层黑磷的光致发光及反射谱, 其中黑线为探测方向沿着AC 的发光谱, 红线为探测方向沿着ZZ 的发光谱, 蓝色虚线为反射谱[24]; (d)80 K 下4.6 nm (约9层)到46 nm(约92层)的黑磷发光谱[43]; (e) 发光峰位随着层厚的变化关系[43]Fig. 5. Photoluminescence (PL) of 2D BP: (a)−(c) The PL and reflection spectra of 1 layer BP under 77 K, black curve is the PL detected alone AC, the red is PL detected alone ZZ and blue dashed curve is the reflection spectrum [24]; (d) PL of BP with thick-ness ranging from 4.6 nm (about 9 layers) to 46 nm (about 92 layers) under 80 K [43]; (e) layer dependence of PL peak position [43].了2层的峰位. 另外Wang 等对暴露在空气中黑磷的PL 做了测试, 发现PL 峰同样随着暴露时间增加出现蓝移, 同时发光效率显著减弱并且伴随着斯托克斯位移增加, 这是由氧化引入更多的缺陷态所导致(如图6(c)), 由此可见相较于PL, 吸收谱能得到更本征的带隙大小.3 二维黑磷光学性质的调控3.1 应变调控应变可以通过改变原子间的键长来对材料的能带结构产生影响, 进而改变材料的光学性质. 相较于三维材料, 在二维材料中施加应变的方式更简单有效, 因此应变调控也被广泛应用于二维材料的研究中[48−50]. 而相较于石墨烯、TMDCs, 黑磷具有更小的杨氏模量因而更容易被应变调控[51]. 早期Quereda 等[52]通过褶皱黑磷方式对10 nm(约18层)的黑磷施加了应变, 其中在褶皱峰(谷)处黑磷会受到张(压)应变, 他们发现黑磷在可见光波段的吸收边在压应变(张应变)下出现了明显的红移(蓝移), 虽然该吸收边并不能真正反映带隙的变化(10 nm 黑磷带隙在中红外波段), 但仍具有一定启发性, 暗示了黑磷带隙对应变调控非常敏感. 随后Zhang 等[28]利用FTIR 仔细地研究了单轴应变对二维黑磷能带的调控, 他们采用两点法的方式实现了最大0.92%的应变, 研究结果显示在张(压)应变下黑磷的E 11, E 22等吸收峰位都出现蓝(红)移,并且0.92%张应变可以将光学带隙(E 11)从0.54 eV 调控至0.65 eV, 相对变化23%, 由此可见单轴应变可以非常有效的对黑磷的带隙进行调控(图7(a)—(c)). 值得注意的是, 虽然黑磷具有各向异性的结构, 但是如图7(c)所示沿着AC 和ZZ 方向的应变对能带的调控没有展现出明显的差异, 相同的现象在Zhang 等[53]研究中也被观测到. 对此Zhang 等认为这是由黑磷面内各向异性的泊松效应所导致的: 对于单层黑磷由紧束缚模型可知其带隙随应变变化可表达为[54,55]εx ,εy ,εz εx >0εz <0εy >0εz >0其中, 分别为沿着AC, ZZ 和垂直于材料平面(z 轴)方向的应变. 可以看到对于只有单个方向的应变存在时, 带隙在应变沿着ZZ 方向时会变化更快. 然而实际中需要考虑泊松效应[56], 即面内的应变同样会引起垂直于面方向的应变, 在沿着AC(x )方向张应变( )导致z 方向出现压应变( ), 而ZZ (y )方向张应变( )导致z 方向出现张应变( ), 由泊松效应导致垂直于面方向应变的不同抵消了面内应变效应的各向异性.随后Huang 等[57]对2—10层黑磷进行了的面内双轴应变调控研究. 与单轴应变一致, 面内双轴2.5(a)2.01.51- / 0/%1.50.5Photon energy/eV 0-0.50.60.8 1.0 1.20 min 5 min 20 min0.880.870.860.85(c)PLAbsorbanceP e a k e n e r g y /e VTime/min0102030(b)BPOxideOxideBP@@P e a k e n e r g y /e VTime/min 0102015525303 L 8 L图 6 暴漏在空气中黑磷的光学性质[47] (a) 暴露在空气中3层黑磷消光谱的变化; (b) 3层和8层黑磷的光学带隙(E 11)在空气中的变化图; 插图为空气中黑磷导带结构变化的示意图, D 为黑磷氧化后引入的附加势垒; (c)暴露在空气中的3层吸收峰以及PL 峰位的变化Fig. 6. Optical properties of air-exposed BP [47]: (a) Evolution of extinction spectrum of an air-exposed 3 layers BP; (b) evolution of E 11 peak energies of the air-exposed 3 layers and 8 layers samples, and the inset fig is the schematic illustration of evolution of con-duction band in air-exposed BP; D is a barrier introduced by oxide; (c) blue shifts of absorption and PL peaks in an air-exposed 3 layers BP.张(压)应变使黑磷的吸收峰线性蓝(红)移, 并且峰位移动的速率为单轴两倍, 即双轴应变的调控能力更强. 另外Huang 等还发现应变效应具有明显的层数依赖, 层数越薄带隙随双轴应变反而移动的越慢, 同时不同子带间吸收峰(E 11, E 22, ···)随应变的移动速率也是不同的, 高阶跃迁峰位随双轴应变移动得更慢(如图7(f)). 实际上这与面内应变可调控的层间相互作用密切相关. 通过一维紧束缚模型可以得到不同吸收峰随应变移动速率和层数N 及εh,k 其中, 为双轴应变, 分别为单层的带隙和层间相互作用在双轴应变下的线性变化系数. 可以看到该模型在整体上能够较好地描述这种层数、跃迁阶数依赖的应变效应(图7(f)). 通过拟合得出1%的面内双轴应变可以带来近10%的层间相互作用的改变, 这是非常显著的变化. 值得一提的是张应变t 1⊥|t 1⊥|∝1/r 2t 1⊥t 1⊥t 1⊥t 1⊥下不同的带间跃迁的能量间距减小, 意味着层间相互作用减弱. 而这是有违背于常识的, 因为通常情况下面内的张应变会导致垂直于面方向的压应变、层间距相应的减小, 而层间相互作用与层间距成反比, 进而导致层间相互作用的增大. 事实上这种反常的现象起源于黑磷独特的褶皱面内原子结构, 通过紧束缚模型可以更清楚地看到这点. 具体来说在紧束缚模型中层间相互作用的大小主要由跃迁参数 的模决定[27], 而 [58], 其中r 为 连接的两个原子的间距(如图7(e)所示). 张应变可以导致连接 连接的两个原子的水平方向的间距增加, 同时态密度泛函理论(DFT)计算表明,1%面内双轴会导致层间距(D +d )减小0.031 Å(对应的垂直于面的泊松系数为0.5), 同时同一层中上下两个原子高度D 减小0.087 Å, 由此可知 连接的两个原子的垂直方向的距离(d )反而增加了0.056 Å, 从而可以知道面内张应变可导致| |减小进而减弱层间相互作用.1.11.0P e a k e n e r g y /e V0.60.50Strain/%0.20.40.60.8 1.0Armchair:Zigzag:11 1122 22(c)300250200150100500-50S h i f t r a t e /m e V S %-1-1002Layer number4681012(f) 11 22 33StrainStrain(a)Strain S t r a i nPP substrate(d)20 1122161281- / 0/%400.6Photon energy/eV0.81.01.2(b)0.92% 0.79% 0.64% 0.45% 0%0.45% 0.64% 0.79% 0.92%Strainu////(e)t 1⊥图 7 应变效应 (a) 两点法对柔性衬底聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)施加单轴应变示意图[28]; (b)在不同张应变下6层黑磷的消光谱, 其中x 代表应变沿着AC 方向, y 为ZZ 方向[28]; (c)不同的带间跃迁吸收E 11, E 22峰位随应变的变化关系, 散点为实验数据点, 直线为线性拟合[28]; (d)通过加热或者冷却聚丙烯(PP)衬底实现施加双轴应变的示意图[57]; (e) 两层黑磷中垂直于面方向的跃迁参数 的示意图[57]; (f) 2—10层黑磷中E 11, E 22, E 33峰位的移动速率与层数间的关系, 散点为平均后的数据点, 曲线为紧束缚模型的拟合曲线[57]t 1⊥Fig. 7. Strain effect: (a) Schematic illustration of two-point bending apparatus using a flexible polyethylene terephthalate (PET)substrate [28]; (b) extinction spectra of a 6 layers BP under varying tensile strains, with strain applied along AC (red) and ZZ (blue)directions [28]; (c) the E 11 and E 22 peak energies as a function of tensile strain, dots are experimental data and solid lines are linear fits [28]; (d) schematic illustration of the experiment set-up used for applying in-plane biaxial strain by heating or cooling the PP sub-strate [57]; (e) schematic illustration of the out-of-plane hopping parameter in bilayer BP [57]; (f) averaged shift rates of E 11, E 22,E 33 peaks as a function of layer number in 2–10 layers BP, the solid curves are fitted to the data using the tight-binding model [57].3.2 电场调控二维材料的厚度只有单个到几个原子层, 因此材料性质很容易受到垂直于材料表面的电场的影响, 通常可以通过栅压的方式来给二维材料施加垂直于面的电场从而来调控材料性能. 对此Lin 等[59]计算研究了栅压对黑磷光学吸收的影响, 其中在垂直于面的电场中存在量子限制的弗兰兹-凯耳什(Franz-Keldysh)效应, 这会导致带隙减小从而使吸收峰出现红移; 同时栅压也会导致载流子浓度发生改变, 由莫斯-布尔斯坦效应(Burstein-Moss, 泡利不相容原理)导致吸收峰位的蓝移; 计算表明当载流子浓度不是很高时(< 2.75 × 102 cm –2)量子限制的弗兰兹-凯耳什效应起主导作用并使得吸收峰位红移, 之后则是莫斯-布尔斯坦效应起主导作使得吸收峰蓝移(如图8(a)). 另外由于垂直面的电场打破了黑磷原有的空间对称性, 选择定则不再严格成立, 使得E 12/E 21(第1/2个价带到第2/1导带间的跃迁)等杂化跃迁得以发生. Zhang 等[28]首次在暴露在空气的黑磷中观测到了杂化跃迁的吸收,这是因为空气中黑磷表面被氧化从而被掺杂, 而这种掺杂在空间上是非均匀分布的从而引入了垂直面的内建电场, 打破了原有空间对称性, 杂化跃迁-0.1511'21'22'O p t i c a l c o n d u c t i v i t y R e ( / 0)Energy ( - g,i )/eVf s0.150.301.5T 1013 cm -21.0T 1013 cm -25.0T 1012 cm -21.0T 1012 cm -21.4T 1010 cm -2(intrinsic)(a)G1G2SiO 2Au Al 2O 3(e)300-300.40.50.60.7+100 V30M o d u l a t i o n s t r e n g t h /%0-30+50 V300-30-50 V300-30-100 VPhoton energy/eV0.80.9 1.0BP contacted, AC 300-300.40.50.60.7+80 V 30M o d u l a t i o n s t r e n g t h /%0-30+40 V 300-30-40 V300-30-80 VPhoton energy/eV 0.80.9 1.0BP floating, AC (f)6Before doping After doping 41- / 0/%20.40.6Photon energy/eV0.8 1122** 331.0 1.20(b)640 nm3.7-7.7 m mhBNhBN SiO 2Si(c)15000.20.4I n t e n s i t y /a r b . u n i t s0.60.81.06.75.0Wavelength/m m4.00 V5 V10 V20 V30 V 40 V3.32000Wave number/cm -125003000(d)σxx 图 8 电场效应 (a) 5 nm 厚黑磷的光电导( )实部随载流子浓度N s 的变化情况[59]; (b)硝酸蒸汽掺杂前后9层黑磷的消光谱, 黑色代表掺杂前, 红色为掺杂后[28]; (c)用来调控PL 的器件示意图, 该器件结构为氮化硼/黑磷/氮化硼并且用CVD 生长的石墨烯作为顶栅[62]; (d) 20层厚黑磷在0—0.48 V/nm 电场下的PL, 其中点为实验数据点, 曲线为拟合曲线[62]; (e)双栅压调控的红外吸收测试器件示意图, 其中黑磷在Si/SiO 2衬底上(SiO 2厚285 nm)并蒸镀45 nm 厚的Al 2O 3及5 nm 厚的钯作为顶栅[61]; (f)在黑磷不接电极(左图)和接电极(右图)时, 调控黑磷沿着AC 吸收强度的能力随栅压的变化[61]σxx Fig. 8. Electric field effect: (a) Evolution of real part of optical conductivity ( ) due to increasing carrier density N s [59]; (b) ex-tinction spectrum of a 9 layers BP before (black) and after (red) chemical doping through HNO 3 vapor treatment [28]; (c) schematic illustration of the dual-gate hBN/BP/hBN device with CVD graphene as the top gate for tunable light emission [62]; (d) the meas-ured (dot) and fitted (lines) tunable PL spectra of the 20 layers BP device under different displacement field from 0 to 0.48 V/nm [62]; (e) schematic illustration of infrared tunability device. BP was exfoliated on the 285 nm SiO 2/Si substrate and then capped with 45 nm Al 2O 3 and 5 nm Pd as top gate [61]; (f) tunability of BP oscillator strength with a field applied to the floating device (left) and connect device (right), for light polarized along AC [61].。
黑磷是否能够取代石墨烯材料
黑磷是否能够取代石墨烯材料科学研究从未停止对于新材料的研究,比如石墨烯材料,自发现以来就被应用于多种电子产品的生产,被称之为奇迹材料。
而如今,科学家们又发现黑磷,与石墨烯相比,特点就是低成本的制造工艺,在生产生活中有很多优势,也被预测也会取代石墨烯,成为下一个新材料金矿。
那么黑磷是否真的可以取代石墨烯材料呢?磷作为元素周期表中第十五号元素,其化合物通常具有化学发光性质,或者通过化学反应产生大部分无热光。
黑磷,一直很难制备但在纳米电子学领域具有应用前景,这与二维(单原子厚)神奇材料—石墨烯非常类似。
同石墨烯一样,黑磷在制·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一,现专注于石墨烯、备过程中也存在难以克服的困难,它有多层结构,为了得到所期望的二维片层,这些多层需要通过剥离工艺一层层分离开。
据国外媒体报道,都柏林三一学院的材料学家最近成功解决了这个问题。
他们发现,通过将黑磷浸没在溶液中,然后用声波轰炸它,而不是通过层层剥离,可以达到同样的效果,并且整个过程更容易、更便宜。
结果:层状结构松动分离,得到只有几个原子厚的黑磷片层。
迄今二维材料的奇异世界一直被石墨烯统治着,当石墨烯降低到一定厚度时,其导电性会达到一个极端的程度,强于凯夫拉,有望作为过滤器排从空气中吸收氢燃料。
目前,仅石墨烯的应用就有超过7000项专利,大部分被科技巨头苹果和索尼占有。
石墨烯可以说是新的硅,但并不是具有这种性质的唯一材料。
黑磷有带隙,而石墨烯是所谓的零隙半导体。
黑磷,作为可调半导体,在电子设备中或许有更多的应用:晶体管、传感器、太阳能电池、开关、电池电极等。
其中一些应用已经被测试,效果非常好。
同石墨烯一样,黑色的磷也不容易大量生产。
·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一,现专注于石墨烯、研究人员表示,虽然黑磷纳米片已经通过液体剥离量产,此法仍然存在问题,主要是因为黑磷纳米片不稳定,会与水或氧气反应。
黑磷有望替代石墨烯,石墨烯的地位被动摇
黑磷有望替代石墨烯,石墨烯的地位被动摇石墨烯作为一种奇迹材料,被誉为电子产品的未来。
但现在它的一个“亲戚”—黑磷,具备低成本的制造工艺,有望替代石墨烯,成为下一个新材料金矿。
在过去的几年中,二维结晶体已经作为某些令人激动的新材料,出现在人们的考虑范围内。
所以材料科学家们也迫不及待地想要发现石墨烯、氮化硼、二硫化钼等物质的非凡属性。
黑磷的原子结构图,褶皱蜂窝结构这一集体的新成员是黑磷,磷原子在黑磷中结合在一起,形成一个二维的褶皱薄片。
去年,研究人员用黑磷造出了一个场效应晶体管收音机并证明该收音机工作效果好。
这一研究表明,黑磷能在纳米电子设备领域前景广阔。
江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一,现专注于石墨烯、在数量较大的形态下,黑磷包括多层,类似于石墨。
因此,将单个薄片分离出来的一个方法是脱落法,就是利用思高透明胶带或其他材料让各层脱落。
这是一个耗时的工作,严重限制了潜在的运用。
把黑磷块放进液体溶剂,然后用能将材料震开的声波冲击黑磷块。
结果是大块分离成大量薄片,团队用离心机按不同尺寸过滤这些薄片。
留下只有几层的高质量纳米薄片。
“液相脱落是一种强大的技术,能造出相当大批量的纳米薄片。
”与石墨烯相比,黑磷的巨大优势在于,黑磷具有一个自然的带隙,物理学家可以利用这一带隙来制造晶体管收音机等电子设备。
但新发现的黑磷纳米薄片让他们还能对一些其他想法进行试验。
例如,他们把纳米薄片加到聚氯乙烯薄膜上,从而使得其强度翻一倍,拉伸韧性也增加六倍。
因此,纳米薄片不仅仅是能提高强度的碳同素异形体。
他们还通过测量传输的光量,确定了纳米薄片对脉冲激光器的非线性光感应。
后来发现,随着张力的增加,黑磷吸收的光量有所减少,这是一种被称为饱和吸收的属性。
另外,黑磷在这一点上的表现甚至优于石墨烯。
很多人将会看到石墨烯那非凡的属性所带来的骚动,而黑磷如果能达到其一半,对材料科学家来说会是相当有意思的前景。
先进纳米材料制造商和技术服务商——江苏先丰纳米材料科技有限公司,2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。
《二维单层黑磷结构中带间隧穿的研究》范文
《二维单层黑磷结构中带间隧穿的研究》篇一一、引言二维材料因其独特的电子结构和优异的物理性质,近年来在材料科学领域引起了广泛的关注。
其中,黑磷作为一种典型的二维材料,其单层结构因其带隙可调、高载流子迁移率等特点在光电子器件和纳米电子器件中具有潜在的应用价值。
而带间隧穿作为电子在能带之间传输的一种重要机制,对于理解二维材料的电子传输特性具有重要意义。
本文旨在研究二维单层黑磷结构中的带间隧穿现象,探究其电子传输机制和潜在应用。
二、黑磷的基本结构与性质黑磷是一种层状材料,单层黑磷具有类似石墨烯的蜂窝状结构,但因其原子排列的不同,其电子结构和物理性质与石墨烯有所差异。
黑磷具有可调的带隙,且带隙随层数的变化而变化,使其在光电子器件中具有独特的优势。
此外,黑磷还具有较高的载流子迁移率,使其在纳米电子器件中也有潜在的应用。
三、带间隧穿的基本原理带间隧穿是指电子在没有足够能量越过势垒的情况下,通过隧道效应穿过势垒的传输过程。
在固体材料中,带间隧穿是一种重要的电子传输机制,尤其在能带结构复杂的材料中更为显著。
带间隧穿的过程涉及到电子的量子力学行为,其传输速率和效率受材料能带结构、电场强度等因素的影响。
四、二维单层黑磷中的带间隧穿研究在二维单层黑磷结构中,由于其能带结构的特殊性,带间隧穿现象尤为显著。
我们通过第一性原理计算和量子力学模拟,研究了黑磷单层结构中电子的带间隧穿过程。
结果表明,在黑磷单层结构中,电子的带间隧穿受电场强度和温度的影响显著。
强电场下,隧穿速率增加,而在高温下,热激发对电子的隧穿过程起到促进作用。
此外,我们还发现黑磷单层结构的带隙可调性为调控带间隧穿提供了可能。
五、潜在应用与展望二维单层黑磷中的带间隧穿现象为光电子器件和纳米电子器件提供了新的设计思路。
例如,利用黑磷的带间隧穿效应可以设计高效的光电探测器、光开关等光电子器件。
此外,通过调控黑磷的带隙和电场强度,可以进一步优化带间隧穿的传输效率和速率,为提高器件性能提供可能。
“材料黑马”——二维黑磷
“材料黑马”——二维黑磷磷烯具有优于石墨烯的光学特性黑磷是磷的一种同素异形体,结构上有块状和二维单晶结构2种。
二维单晶结构的黑磷具有诸多优异特性,最让人兴奋的地方在于其可以制备出超薄黑磷(也称为磷烯),其非常类似二维材料石墨烯。
现在黑磷二维材料已经成为了晶片界的一个新宠,有望成为未来电子设备的新材料。
石墨烯是当今时代的“材料之王”,其“洪荒之力”可以应用到各个领域。
但是在电子设备领域,石墨烯存在一个重大的缺陷——其本身没有能隙,不能与硅相容,这限制了它在半导体工业和光学器件等领域的应用。
黑磷作为一种新的二维材料,被视为能解决石墨烯性能上存在的一些问题的材料。
形象化的来讲,石墨烯像金属,但磷烯单晶天生就是半导体,它很容易被“打开”和“关闭”。
磷烯单晶拥有很高的电子流动性,可用于制造高性能低成本电子设备。
目前研究成果可以看出,在电子光电领域,二维黑磷有着石墨烯无法比拟的优势。
黑磷二维单晶片层由双层原子组成,厚度为一个原子,具有天然带隙,与硅有较好的相容性。
这可望促进硅光子元件技术的发展,届时各种芯片是以光而非电子来传递数字信号。
黑磷的半导体能隙是直接能隙,即导带底部和价带顶部在同一位置,这意味着黑磷和光可以直接耦合,这个特性让黑磷成为未来光电器件(例如光电传感器)的一个备选材料,可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。
其能隙还可藉由在硅基板上堆栈的黑磷层数来进行调节,使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长。
加上黑磷电子迁移速度快,有望在光电领域得到广泛应用。
磷烯近几年国内外研究状况黑磷具有独特的几何及电子结构和优异的性能,在晶体管、传感器、太阳能电池及光电子器件等领域应用前景广阔。
通过下表,我们来看一下黑磷的国内外研究情况:表1 国外研究机构关于黑磷研究的成果表2 国内研究机构关于黑磷研究的成果石墨烯和黑磷,本来是一对亲戚。
按年分排的话,黑磷要比石墨烯小上十岁左右。
然而,长江水浪打浪,后浪到底能不能把前浪拍在沙滩上,就需要时间去证明了。
α-FeOOH与石墨烯、黑磷烯复合材料的三阶非线性光学性质研究
α-FeOOH与石墨烯、黑磷烯复合材料的三阶非线性光学性质探究专业品质权威编制人:______________审核人:______________审批人:______________编制单位:____________编制时间:____________序言下载提示:该文档是本团队精心编制而成,期望大家下载或复制使用后,能够解决实际问题。
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磷掺杂石墨烯的制备及氧还原催化性能
第十七次全国电化学大会1磷掺杂石墨烯的制备及氧还原催化性能李容1,2,魏子栋1,*,苟兴龙2,*(1.重庆大学化学化工学院,重庆,400044,E-mail:zdwei@;2.西华师范大学化学化工学院,四川,南充,637000,E-mail:gouxlr@)燃料电池是一种高效新型能源转换装置,具有能量密度高、能量转换效率大、零排放、环境友好等优点。
但是,燃料电池的阴极氧还原反应(ORR )的过电位大、动力学性能差,需要大量昂贵的铂基催化剂。
而且,这类催化剂不抗甲醇氧化和一氧化碳中毒,稳定性差,限制了燃料电池的规模化生产和应用。
因此,研发成本低、活性高、稳定性好的非贵金属和非金属氧还原催化剂是当前燃料电池技术发展与应用的关键[1]。
杂原子(如氮、磷、硼、硫、碘等)掺杂的碳纳米材料比表面积大、活性高,可望替代铂基催化剂,成为燃料电池氧还原催化剂的研究热点[2,3]。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构碳材料,其导电性、比表面积等远远优于普通碳材料[4]。
但是,鲜见报道磷掺杂石墨烯的制备及氧还原催化性能。
我们通过热解氧化石墨和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体混合物制备了磷掺杂石墨烯(P-TRG )[5]。
该合成方法简单、环境友好、易于控制。
所得P-TRG 催化剂保持了石墨烯纳米片的形貌(图1a ),比表面积大(496.67m 2/g )、磷含量高(1.16at.%)、ORR 催化活性高,起峰电位和还原电流与商品铂碳相当(图1b ),而且在抗甲醇和一氧化碳中毒、稳定性方面显著优于商品铂碳催化剂。
图1P-TRG 的TEM (a )和ORR 线性伏安图(b )Fig.1TEM image (a)and LSV curves (b)of the P-TRG sample.本研究为973计划(2012CB215500,2012CB720300)和国家自然科学基金(21176327,51071131,20936008)资助项目。
【CN109592962A】一种仿生三元体系石墨烯黑磷纳米复合材料薄膜制备方法【专利】
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910078810 .1
(22)申请日 2019 .01 .28
(71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号
(72)发明人 程群峰 周天柱 刘笑辰
(74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251
9 .根据权利要求2所述的一种仿生三元体系石墨烯-黑磷纳米复合材料薄膜,其特征在 于:所述步骤(7)中三元体系石墨烯-黑磷纳米复合材料薄膜包括纯黑磷晶体、氧化石墨烯黑磷、还原氧化石墨烯-黑磷、还原氧化石墨烯-黑磷-1-氨基芘(AP)-辛二酸双(N-羟基琥珀 酰亚胺酯) (DSS)纳米复合材料薄膜,室温条件下置于空气中1-14天,分别测试纳米复合材 料薄膜的200nm-800nm紫外吸收光谱和拉伸强度179 .3-653 .5MPa,得到相应的紫外吸收光 谱和应力-应变曲线图。
(2) 将所述黑磷纳米片和氧化石墨烯均一的黑磷纳米片和氧化石墨烯分散液;
(3)将步骤(2)所得到均匀的黑磷纳米片和氧化石墨烯分散液进行真空抽滤,黑磷和氧 化石墨烯经过自组装制备得到氧化石墨烯-黑磷纳米复合材料薄膜;
(4)改变步骤(1)中加入黑磷纳米片溶液的质量,重复步骤(1) (2)、(3) ,获得不同黑磷 含量的氧化石墨烯-黑磷纳米复合材料薄膜;
6 .根据权利要求1所述的一种仿生三元体系石墨烯-黑磷纳米复合材料薄膜,其特征在 于:所述步骤(4)中黑磷纳米片质量分数在1-20%,即加入的氧化石墨烯的质量占氧化石墨 烯和黑磷纳米片两者总质量范围为99-80%,通过表征不同质量分数氧化石墨烯-黑磷复合 材料的力学性能,确定最佳力学性能的黑磷纳米片溶液所占的质量分数。
我国科学家实现一步法高效制备石墨烯,黑磷烯平面超级电容器
我国科学家实现一步法高效制备石墨烯,黑磷烯平面超级电容
器
佚名
【期刊名称】《新材料产业》
【年(卷),期】2017(0)7
【摘要】近日,中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队与中国科学院金属研究所研究员任文才团队合作,通过掩膜版协助一步过滤法制备出具有叠层结构的二维黑磷烯与石墨烯复合微电极。
【总页数】1页(P86-86)
【关键词】高效制备;超级电容器;中国科学院大连化学物理研究所;石墨;磷烯;中国科学院金属研究所;一步法;科学家
【正文语种】中文
【中图分类】TM53
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Electronic Structures of Hybrid Graphene/Phosphorene NanocompositeWei Hu,1,2,∗Tian Wang,3and Jinlong Yang 2,4,†1Computational Research Division,Lawrence Berkeley National Laboratory,Berkeley,CA 94720,USA2Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale,University of Science and Technology of China,Hefei,Anhui 230026,China3Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation,University of Science andTechnology of China,Hefei,Anhui 230026,China 4Synergetic Innovation Center of Quantum Information and Quantum Physics,University of Science and Technology of China,Hefei,Anhui 230026,China(Dated:November 10,2014)Combining the electronic structures of two-dimensional monolayers in ultrathin hybrid nanocom-posites is expected to display new properties beyond their simplex components.Here,first-principles calculations are performed to study the structural,electronic and optical properties of hybrid graphene and phosphorene nanocomposite.It turns out that weak van der Waals interactions dominate between graphene and phosphorene with their intrinsic electronic properties preserved.Hybrid graphene and phosphorene nanocomposite shows tunable band gaps at graphene’s Dirac point and a transition from hole doing to electron doing for graphene as the interfacial distance decreases.Charge transfer between graphene to phosphorene induces interfacial electron-hole pairs in hybrid graphene and phosphorene nanocomposite with enhanced visible light response.I.INTRODUCTIONTwo-dimensional (2D)ultrathin materials,such as graphene,[1,2]silicene,[3,4]hexagonal boron nitride,[5,6]graphitic carbon nitride,[7,8]graphitic zinc oxide,[9,10]molybdenum disulphide,[11,12]have received consid-erable interest recently owing to their outstanding prop-erties and potential applications.Graphene,[2]a 2D sp 2-hybridized carbon monolayer,is known to have remark-able electronic properties,such as a high carrier mobil-ity,but the absence of a bandgap limits its applications of large-offcurrent and high on-offratio for graphene-based electronic devices.Furthermore,intrinsic elec-tronic properties of graphene depend sensitively on the substrates due to strong graphene-substrate interactions,such as SiO 2,[13,14]SiC[15,16]and metal[17,18]sur-faces.Therefore,opening a small bandgap and finding an ideal substrate for graphene remains challenging in the experiments.2)[31–33]nanocomposites show much more new properties far beyond their simplex components.Furthermore,most of them are ideal substrates for graphene to preserve the intrinsic electronic properties of graphene and substrates.∗Corresponding author.E-mail:whu@†Correspondingauthor.E-mail:jlyang@Most recently,a new 2D material,namely,black phosphorus monolayer or phosphorene,[34–37]has been isolated in the experiments through mechanical exfo-liation from bulk black phosphorus and has immedi-ately received considerable attention.Phosphorene also shows some remarkable electronic properties superior to graphene.For example,phosphorene is a semiconductor with a direct bandgap of about 1eV ,[35]showing the drain current modulation up to 105and carrier mobil-ity up to 103cm 2/(Vs)in nanoelectronics.[36]Here,an interesting question arise:whether graphene and phos-phorene can form a 2D hybrid G/P nanocomposite with new properties?In the present work,we design a new 2D hybrid graphene and phosphorene nanocomposite and study its electronic and optical properties with first-principles calculations.The results show that graphene inter-acts overall weakly with phosphorene via van der Waals (vdW)interactions,thus,their intrinsic electronic prop-erties can be preserved in hybrid graphene/phosphorene nanocomposite.Moreover,interlayer interactions in hy-brid graphene/phosphorene nanocomposite can induce tunable band gaps at graphene’s Dirac point,a transi-tion from hole doing to electron doing for graphene and enhanced visible light response.II.THEORETICAL METHODS AND MODELSThe lattice parameters of graphene and phosphorene calculated to setup unit cell are a (G)=b (G)=2.47˚A ,[19]a (P)=4.62˚A and b (P)=3.30˚A .[35]We design a new 2D hybrid graphene/phosphorene nanocomposite (40carbon atoms and 28phosphorus atoms)as shown in Figure 1with a small lattice mismatch less than 2%.The vacuum space in the Z direction is about 15˚A to separate the interactions between neighboring slabs.a r X i v :1411.1781v 1 [c o n d -m a t .m t r l -s c i ] 6 N o v 2014FIG.1:(Color online)Geometric structures of hybrid graphene/phosphorene nanocomposite ((a)top and (b)side views).The gray and violet balls denote carbon and phos-phorus atoms,respectively.First-principles calculations are based on the den-sity functional theory (DFT)implemented in the VASPpackage.[38]The generalized gradient approximation of Perdew,Burke,and Ernzerhof (GGA-PBE)[39]with van der Waals (vdW)correction proposed by Grimme (DFT-D2)[40]is chosen due to its good description of long-range vdW interactions.[41–49]As an benchmark,DFT-D2calculations give a good bilayer distance of c =3.25˚A and binding energy of E b =-25meV per carbon atom for bilayer graphene,which fully agree with previous experimental[50,51]and theoretical[52,53]studies.The energy cutoffis set to be 500eV .The surface Brillouin zone is sampled with a 3×3regular mesh and 120k points are used for calculating the tiny band gaps at the Dirac point graphene in the hybrid G/P nanocomposite supercell.All the geometry structures are fully relaxed until energy and forces are converged to 10−5eV and 0.01eV /˚A ,respectively.To investigate the optical properties of hybrid G/P nanocomposite,the frequency-dependent dielectric ma-trix is calculated.[54]In order to calculate the optical properties of hybrid G/P nanocomposite,a large 6×6regular mesh for the surface Brillouin zone,a large num-ber of empty conduction band states (two times more than the number of valence band)and frequency grid points (2000)are adopted.We crosscheck the optical properties of graphene and phosphorene,consistent with previous theoretical calculations.[19,37]III.RESULTS AND DISCUSSIONElectronic properties of pristine graphene and phos-phorene monolayers in the supercells are checked first and their electronic band structures are plotted in Figure 2aand 2b.Graphene is a zero-gap semiconductor (Figure 2a),showing a linear Dirac-like dispersion relation E (k )=± νF |k |around the Fermi level where νF is the Fermi velocity,and νF (G )=0.8×106m/s at the Dirac point of graphene.Monolayer phosphorene is semiconducting with a direct band gap of 0.85eV (Figure 2b),which agrees well with previous theoretical studies.[35]FIG.2:(Color online)Electronic band structures of (a)graphene,(b)phosphorene and (c)hybrid graphene/phosphorene nanocomposite.The Fermi level is set to zero and marked by green dotted lines.We then study the geometric structures of hybrid G/P nanocomposite.Typical vdW equilibrium spacing of about 3.43˚A with corresponding small binding energy of about -24.7meV per atom of graphene is obtained for hybrid G/P nanocomposite,which is well comparable with recent theoretical calculations in 2D graphene based nanocomposites,such as G/S,[19]G/g-BN,[24]G/g-C 3N 4,[27]G/g-ZnO[28]and G/MoS 2.[31]Thus,weak vdW interactions dominate between graphene and phos-phorene,suggesting that phosphorene can be used as an ideal substrate for graphene with their intrinsic electronic structures undisturbed.Notice that the small lattice mis-match of about 2%for graphene and phosphorene has little effect on their electronic properties in hybrid G/P nanocomposite.Electronic band structure of hybrid G/P nanocompos-ite is shown in Figure 2c.The Dirac point of graphene is still preserved,and the Fermi velocity at the Dirac point is almost unchanged (νF (G/P )=0.8×106m/s )in hybrid G/P nanocomposite compared to free-standing graphene,though small band gap of 10meV is opened at the Dirac point of grpahene.Notice that induced band gaps at the Dirac point of graphene are typically sen-sitive and tunable to other external conditions,such as interlayer separation,[19]as plotted in Figure 3.The gap values at graphene’s Dirac point increase from 5to 90meV as the interfacial distance decreases from 3.7to 2.7˚A in hybrid G/P nanocomposite,showing a potential for high-performance graphene-based electronicdevices.FIG.3:(Color online)The band gap opened at graphene’s Dirac point in hybrid graphene/phosphorene nanocomposite as a function of interfacial distance.Interestingly,we find that the Dirac point of graphene moves form the conduction band to the valence band of phosphorene as the interfacial distance decreases from 4.5to 2.7˚A in hybrid G/P nanocomposite,inducing a transition from hole (p-type)doping to electron (n-type)doping for graphene as shown in Figure 4.When the interfacial distance artificially increases larger than 4.5˚A ,graphene’s Dirac point is close to phosphorene’s con-duction band.That is because graphene’s work function (4.3eV )is close to phosphorene’s nucleophilic potential (4.1eV ).Based on the Schottky-Mottmodel,[55]elec-trons easily transfer from graphene to phosphorene,re-sulting in p-type doping of graphene.But,weak over-lap of electronic states between graphene and phos-phorene are enhanced as the interfacial distance de-creases.Furthermore,carbon has a large electroneg-ativity (2.55)than that (2.19)of phosphorus.Thus,when graphene and phosphorene are close to each other (smaller than 3.0˚A ),electrons easily transferred from phosphorene to graphene,resulting in n-type doping of graphene.Similarly,interlayer-interaction induced a transition from p-type doping to n-type doping for graphene has also observed experimentally and theoreti-cally in hybrid graphene/silicene nanocomposite[19]and graphene adsorption on some metal substrates.[17]Besides commonly focused electronic structures in 2D graphene based nanocomposites,we also study the opti-cal properties in hybrid G/P nanocomposite.Though pristine graphene and phosphorene themselves display unique optical properties,[19,37]interlayer interactions and charge transfer in 2D nanocomposites may induce new optical transitions.[8,28]As shown in Figure 5,charge transfer between graphene to phosphorene inducesFIG.4:(Color online)Electronic band structures of hybrid graphene/phosphorene nanocomposite at different interfacial distances D =2.8,3.0,3.5,4.0and 4.5˚A .The Fermi level is set to zero and marked by green dotted lines.interfacial electron-hole pairs in hybrid G/P nanocom-posite.In optical property calculations,the imaginary part of dielectric function for graphene and phospho-rene monolayers as well as corresponding hybrid G/P nanocomposite are evaluated,including the light polar-ized parallel and perpendicular to the plane,as shown in Figure 5.Parallel optical absorption of pristine graphene and phosphorene monolayers mainly possesses in the vis-ible light range from 200to 1000nm due to the tran-sitions from πto π∗states and σto σ∗states.Hybrid G/P nanocomposite exhibits stronger optical absorption,especially in the visible light range from 300to 800nm ,compared with simplex graphene and phosphorene mono-layers,because the interlayer coupling in hybrid G/P nanocomposite induces electronic states overlap and elec-trons can now be directly excited between graphene and phosphorene.But,perpendicular dielectric function is al-most unaffected by the interlayer interactions in hybrid G/P nanocomposite due to very weak optical absorption of graphene in this direction.IV.CONCLUSIONSIn summary,we study the electronic structures and optical properties of hybrid graphene/phosphorene nanocomposite with first-principles calculations.We find that phosphorene interacts weakly with graphene via weak vdW interactions to preserve their intrin-sic electronic properties.Moreover,interlayer interac-tions can induce tunable band gaps at graphene’s Dirac point,a transition from hole doing to electron doing for graphene and enhanced visible light response in hy-brid graphene/phosphorene nanocomposite.With theFIG.5:(Color online)Imaginary part of frequency depen-dent dielectric function((a)parallel and(b)perpendicular) for pristine graphene and phosphorene monolayers as well as corresponding hybrid graphene/phosphorene nanocom-posite.Differential charge density(0.002e/˚A3)of hybrid graphene/phosphorene nanocomposite is shown in the insert.excellent electronic and optical properties combined be-yond simplex graphene and phosphorene monolayers,2D ultrathin hybrid graphene/phosphorene nanocomposite system is expected to be of a great potential in new graphene-based electronic devices.V.ACKNOWLEDGMENTSThis work is partially supported by the National Key Basic Research Program(2011CB921404),by NSFC (11404109,21121003,91021004,21233007,21222304), by CAS(XDB01020300).This work is also partially supported by the Scientific Discovery through Advanced Computing(SciDAC)program funded by U.S.Depart-ment of Energy,Office of Science,Advanced Scientific Computing Research and Basic Energy Sciences(W.H.). We thank the National Energy Research Scientific Com-puting(NERSC)center,USTCSCC,SC-CAS,Tianjin, and Shanghai Supercomputer Centers for the computa-tional resources.[1]K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,and A.A.Firsov,Scinece306,666(2004).[2]A.K.Geim and K.S.Novoselov,Nature Mater.6,183(2007).[3]S.Cahangirov,M.Topsakal,E.Akt¨u rk,H.S¸ahin,and S.Ciraci,Phys.Rev.Lett.102,236804(2009).[4]A.Kara,H.Enriquez, A.P.Seitsonend,L. 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A.Khomyakov,G.Brocks,V.M.Karpan,J.van den Brink,and P.J.Kelly,Phys.Rev.Lett.101,026803(2008).[18]F.Xia,V.Perebeinos,Y.Lin,Y.Wu,and P.Avouris,Nature Nanotech.6,179(2011).[19]W.Hu,Z.Li,and J.Yang,J.Chem.Phys.139,154704(2013).[20]Y.Cai,C.-P.Chuu,C.M.Wei,and M.Y.Chou,Phys.Rev.B88,245408(2013).[21]M.Neek-Amal,A.Sadeghi,G.R.Berdiyorov and F.M.Peeters,Appl.Phys.Lett.103,261904(2013).[22]C.R.Dean,A.F.Young,I.Meric,C.Lee,L.Wang,S.Sorgenfrei,K.Watanabe,T.Taniguchi,P.Kim,K.L.Shepard,and J.Hone,Nature Nanotech.5,722(2010).[23]J.Xue,J.Sanchez-Yamagishi,D.Bulmash,P.Jacquod,A.Deshpande,K.Watanabe,T.Taniguchi,P.Jarillo-Herrero,and B.LeRoy,Nature Mater.10,282(2011).[24]J.S l awi´n ska,I.Zasada,and Z.Klusek,Phys.Rev.B81,155433(2010).[25]Q.J.Xiang,J.G.Yu,and M.Jaroniec,J.Phys.Chem.C115,7355(2011).[26]X.-H.Li,J.-S.Chen,X.Wang,J.Sun,and M.Antonietti,J.Am.Chem.Soc.133,8074(2011).[27]A.Du,S.Sanvito,Z.Li,D.Wang,Y.Jiao,T.Liao,Q.Sun,Y.H.Ng,Z.Zhu,R.Amal,and S.C.Smith,J.Am.Chem.Soc.134,4393(2012).[28]W.Hu,Z.Li,and J.Yang,J.Chem.Phys.138,1247065(2013).[29]W.Geng,X.Zhao,H.Liu,and X.Yao,J.Phys.Chem.C117,10536(2013).[30]X.Guo and Y.G.Zhou,J.Appl.Phys.113,054307(2013).[31]Y.Ma,Y.Dai,M.Guo,C.Niu,and B.Huang,Nanoscale3,3883(2011).[32]X.D.Li,S.Yu,S.Q.Wu,Y.H.Wen,S.Zhou,and Z.Z.Zhu,J.Phys.Chem.C117,15347(2013).[33]L.Britnell,R.M.Ribeiro,A.Eckmann,R.Jalil,B.D.Belle,A.Mishchenko,Y.-J.Kim,R.V.Gorbachev,T.Georgiou,S.V.Morozov,A.N.Grigorenko,A.K.Geim,C.Casiraghi,o,K.S.Novoselov,Science340,1311(2013).[34]S.Appalakondaiah,G.Vaitheeswaran,S.Lebgue,N.E.Christensen,and A.Svane,Phys.Rev.B86,035105 (2012).[35]H.Guo,N.Lu,J.Dai,X.Wu,and X.C.Zeng,J.Phys.Chem.C118,14051(2014).[36]L.Li,Y.Yu,G.Ye,Q.Ge,X.Ou,H.Wu,D.Feng,X.Chen,and Y.Zhang,Nature Nanotech.9,372(2014).[37]J.Qiao,X.Kong,Z.-X.Hu,F.Yang,and W.Ji,NatureCommun.5,4475(2014).[38]G.Kresse and J.Hafner,Phys.Rev.B47,558(1993).[39]J.P.Perdew,K.Burke,and M.Ernzerhof,Phys.Rev.Lett.77,3865(1996).[40]S.Grimme,put.Chem.27,1787(2006).[41]S.Grimme,C.Muck-Lichtenfeld,and J.Antony,J.Phys.Chem.C111,11199(2007).[42]J.Antony and S.Grimme,Phys.Chem.Chem.Phys.10,2722(2008).[43]N.Kharche and S.K.Nayak,Nano Lett.11,5274(2011).[44]J.S l awi´n ska,P.Dabrowski,and I.Zasada,Phys.Rev.B83,245429(2011)[45]R.Kagimura,M.S.C.Mazzoni,and H.Chacham,Phys.Rev.B85,125415(2012).[46]Y.Ma,Y.Dai,M.Guo,and B.Huang,Phys.Rev.B85,235448(2012).[47]L.Chen,L.Wang,Z.Shuai,and D.Beljonne,J.Phys.Chem.Lett.4,2158(2013).[48]W.Hu,X.Wu,Z.Li,and J.Yang,Phys.Chem.Chem.Phys.15,5753(2013).[49]W.Hu,X.Wu,Z.Li and J.Yang,Nanoscale5,9062(2013).[50]Y.Baskin and L.Mayer,Phys.Rev.100,544(1955).[51]R.Zacharia,H.Ulbricht,and T.Hertel,Phys.Rev.B69,155406(2004).[52]R.E.Mapasha,pong,and N.Chetty,Phys.Rev.B85,205402(2012).[53]W.Hu,Z.Li,and J.Yang,J.Chem.Phys.138,054701(2013).[54]M.Gajdo˘s,K.Hummer,and G.Kresse,Phys.Rev.B73,045112(2006).[55]J.Bardeen,Phys.Rev.71,717(1947).。