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據(jù)報(bào)道， 英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）研究人員在世界上首次制造出微小的、獨(dú)立的、柔韌的磷烯納米帶，它們有望徹底改變電子和快速充電電池技術(shù)。
磷烯（Phosphorene）是一種新興的單元素二維材料，2014年被首次分離出以來(lái)，其結(jié)構(gòu)與石墨烯類似，其帶隙具有典型的層數(shù)相關(guān)性。而與此同時(shí)，納米帶因其結(jié)合了一維納米材料的特性和二維材料高表面積的特點(diǎn)，并同時(shí)表現(xiàn)出出電子-限域以及邊界效應(yīng)，近年來(lái)成為相關(guān)研究領(lǐng)域的熱門材料。由此，憑借獨(dú)特的各向異性結(jié)構(gòu)，關(guān)于磷烯納米帶（PNRs）的理論計(jì)算研究顯示PNRs具備優(yōu)異的性能。然而，有關(guān)制備真正離散PNRs的研究到目前為止尚未出現(xiàn)。
4月10日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究（“磷烯納米帶的制備”，Production of phosphorene nanoribbons）中，來(lái)自英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院、美國(guó)布里斯托爾(維吉尼亞州)聯(lián)邦大學(xué)和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院大學(xué)的研究人員描述了他們?nèi)绾螐暮诹缀弯囯x子晶體中生成大量高質(zhì)量的磷帶。
“這是第一次制造出離散的磷烯納米帶。研究作者克里斯?霍華德博士(UCL物理學(xué)和天文學(xué))說(shuō):“人們已經(jīng)預(yù)測(cè)到了這種材料令人興奮的性質(zhì)，磷烯納米帶可以發(fā)揮變革作用的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。”。
霍華德等人利用“離子剪（Ionic scissoring）”的形式對(duì)黑磷晶體進(jìn)行處理，獲得了大量高質(zhì)量、單個(gè)PNRs。這一自上而下的方法主要分為兩步，首先將黑磷塊體利用鋰離子進(jìn)行插層處理，獲得的產(chǎn)物之后浸沒(méi)在質(zhì)子惰性的溶劑中并進(jìn)行機(jī)械攪拌，最終產(chǎn)生穩(wěn)定分散的PNRs溶液。由此制備的PNRs具備4-50納米不等的寬度，主要為單層厚度，測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)75微米，縱橫比最高可達(dá)到1000左右。研究還發(fā)現(xiàn)該納米帶材料為原子級(jí)單晶，以Z字形晶體取向進(jìn)行排列對(duì)齊。這一簡(jiǎn)單的液相制備方法為實(shí)驗(yàn)研究PNRs的性質(zhì)及其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
“通過(guò)使用先進(jìn)的成像方法，我們對(duì)磷烯納米帶進(jìn)行了非常詳細(xì)的觀測(cè)描述，發(fā)現(xiàn)它們極其扁平、結(jié)晶完好、異常柔韌。大多數(shù)只有一層原子厚，但是當(dāng)納米帶由一層以上的磷原子構(gòu)成時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在各層之間有無(wú)縫的臺(tái)階。”第一作者米奇?瓦特(UCL物理學(xué)和天文學(xué))解釋說(shuō):“這是以前從未見(jiàn)過(guò)的，據(jù)推測(cè)每一層都應(yīng)該有不同的電子性質(zhì)。”。
雖然已經(jīng)有多種不同材質(zhì)的納米帶問(wèn)世，如石墨烯，但是此次生產(chǎn)的磷烯納米帶更有更大的寬度、厚度、長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比。此外，它們可以在液體中規(guī)模化生產(chǎn)，從而可以低成本大量應(yīng)用。
該團(tuán)隊(duì)表示，預(yù)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域包括二次電池、太陽(yáng)能電池、用于將廢熱轉(zhuǎn)化為電能的熱電裝置、光催化、納米電子學(xué)和量子計(jì)算等。此外，該團(tuán)隊(duì)還預(yù)測(cè)了一些奇異效應(yīng)的出現(xiàn)，包括新型磁性、自旋密度波和拓?fù)錉顟B(tài)等。
“我們?cè)噲D制作磷烯片，但非常驚訝地發(fā)現(xiàn)得到的是磷烯納米帶。”霍華德博士說(shuō):“為了讓納米帶具有明確且穩(wěn)定一致的特性，它們的寬度與長(zhǎng)度的比例應(yīng)保持一致，我們發(fā)現(xiàn)制得的納米帶就是這樣。”。
“在發(fā)現(xiàn)納米帶的同時(shí)，我們表征其形態(tài)的工具也在迅速發(fā)展”，合著者洛倫?皮科博士(VCU物理學(xué))解釋說(shuō):“我們?cè)诓祭锼雇袪柎髮W(xué)制造的高速原子力顯微鏡具有獨(dú)特的能力，可以將納米帶的納米級(jí)特征在宏觀長(zhǎng)度上反映，還可以通過(guò)大面積成像，對(duì)數(shù)百條納米帶的長(zhǎng)度、寬度和厚度范圍進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。”
在繼續(xù)研究納米帶基本特性的同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還打算通過(guò)拓展全球合作以及與UCL各地的專家團(tuán)隊(duì)合作，探索納米帶在儲(chǔ)能、電子傳輸和熱電裝置中的應(yīng)用前景。
這項(xiàng)工作得到了英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)和皇家工程院的資助。 |
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