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據報道， 英國倫敦大學學院（UCL）研究人員在世界上首次制造出微小的、獨立的、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。
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，其結構與石墨烯類似，其帶隙具有典型的層數相關性。而與此同時，納米帶因其結合了一維納米材料的特性和二維材料高表面積的特點，并同時表現出出電子-限域以及邊界效應，近年來成為相關研究領域的熱門材料。由此，憑借獨特的各向異性結構，關于磷烯納米帶（PNRs）的理論計算研究顯示PNRs具備優異的性能。然而，有關制備真正離散PNRs的研究到目前為止尚未出現。
4月10日發表在《自然》雜志上的一項研究（“磷烯納米帶的制備”，Production of phosphorene nanoribbons）中，來自英國倫敦大學學院、美國布里斯托爾(維吉尼亞州)聯邦大學和瑞士洛桑聯邦理工學院大學的研究人員描述了他們如何從黑磷和鋰離子晶體中生成大量高質量的磷帶。
“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物理學和天文學)說:“人們已經預測到了這種材料令人興奮的性質，磷烯納米帶可以發揮變革作用的應用領域非常廣泛。”。
霍華德等人利用“離子剪（Ionic scissoring）”的形式對黑磷晶體進行處理，獲得了大量高質量、單個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行插層處理，獲得的產物之后浸沒在質子惰性的溶劑中并進行機械攪拌，最終產生穩定分散的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，測量長度可達75微米，縱橫比最高可達到1000左右。研究還發現該納米帶材料為原子級單晶，以Z字形晶體取向進行排列對齊。這一簡單的液相制備方法為實驗研究PNRs的性質及其應用奠定了基礎。
“通過使用先進的成像方法，我們對磷烯納米帶進行了非常詳細的觀測描述，發現它們極其扁平、結晶完好、異常柔韌。大多數只有一層原子厚，但是當納米帶由一層以上的磷原子構成時，我們發現在各層之間有無縫的臺階。”第一作者米奇?瓦特(UCL物理學和天文學)解釋說:“這是以前從未見過的，據推測每一層都應該有不同的電子性質。”。
雖然已經有多種不同材質的納米帶問世，如石墨烯，但是此次生產的磷烯納米帶更有更大的寬度、厚度、長度和長寬比。此外，它們可以在液體中規模化生產，從而可以低成本大量應用。
該團隊表示，預計的應用領域包括二次電池、太陽能電池、用于將廢熱轉化為電能的熱電裝置、光催化、納米電子學和量子計算等。此外，該團隊還預測了一些奇異效應的出現，包括新型磁性、自旋密度波和拓撲狀態等。
“我們試圖制作磷烯片，但非常驚訝地發現得到的是磷烯納米帶。”霍華德博士說:“為了讓納米帶具有明確且穩定一致的特性，它們的寬度與長度的比例應保持一致，我們發現制得的納米帶就是這樣。”。
“在發現納米帶的同時，我們表征其形態的工具也在迅速發展”，合著者洛倫?皮科博士(VCU物理學)解釋說:“我們在布里斯托爾大學制造的高速原子力顯微鏡具有獨特的能力，可以將納米帶的納米級特征在宏觀長度上反映，還可以通過大面積成像，對數百條納米帶的長度、寬度和厚度范圍進行詳細評估。”
在繼續研究納米帶基本特性的同時，該團隊還打算通過拓展全球合作以及與UCL各地的專家團隊合作，探索納米帶在儲能、電子傳輸和熱電裝置中的應用前景。
這項工作得到了英國工程和物理科學研究委員會和皇家工程院的資助。 |
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