南方科技大学化学系权泽卫

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黑磷：厚度依赖的结构稳定和各向异性

近年来，二维纳米材料获得了人们的广泛关注。石墨烯作为第一代二维层状材料已被广泛的应用于各个领域。然而，零带隙和半金属的特性极大的限制了其进一步的应用。二维过渡金属硫化物(TMDs)虽然克服了这些缺憾，然而较大的带隙及较低的电荷运输能力为其应用带来了新的难题。近年来，另一种二维纳米材料黑磷（BP）逐渐被人们所重视。它的带隙性质不仅填补了石墨烯和TMDs材料之间而空白，同时保持了较高的电荷迁移率、较大的光子作用及光电量子产率。特别是，BP独特的褶皱状原子排列导致了其独特的各项异性的物理、化学性质。BP的这些特性使其在光电、催化等领域成为了不可缺少的重要材料。

厚度是影响二维材料性质的重要因素。BP的许多性质（带隙值、能带排列、电荷有效质量、光助氧化性质等）同样依赖于其厚度的变化。事实上，BP厚度依赖的性质变化本质仍是其结构的调控。相邻BP层之间距离，以及层内BP原子排列的微弱变化将极大的改变其层间的电子耦合、电子排布，相应引起电学和光学的改变。而外界压力正是改变BP原子间相互距离、原子排布的有效手段。

左：BP的压力-厚度结构相图；中、右：171 nm和6 nm厚度的两种BP在高压下的晶胞体积及压缩系数。

近期，南方科技大学权泽卫课题组选择了厚度在71 nm和6 nm之间的BP材料，研究厚度依赖的高压下的结构和性质变化。通过高压原位同步辐射X光衍射与拉曼实验发现，不同厚度的BP在高压下的相变序列（A17相到A7相到SC相）与其体材料完全相同，但是相变压力点明显高于体材料，这主要是纳米材料增强的表面能导致的。同时BP的高压结构体现出明显的厚度依赖特性（图1）。特别是在71 nm至13 nm之间，相变压力明显的升高。这表明，在该厚度范围内，BP的厚度的降低将极大的促进其结构稳定性的升高。此外，通过对晶胞参数压缩率（Kl）的计算，发现在3 GPa以下，BP呈现出明显的厚度依赖的各向异性结构压缩，且厚度的降低带来的更为刚性的层间结构。

该工作是BP在高压下系统的厚度依赖结构性质研究。通过总结BP材料厚度依赖的结构相图和各向异性的压缩率，将BP的厚度-压力-结构相互联系，这为可控设计和制造BP器件提供了新的信息和策略。相关工作在线发表在Advanced Electronic Materials（DOI: 10.1002/aelm.201800712）上。