磷稀納米帶是否曾被你扔到垃圾桶？

　　為什么要研究磷稀納米帶

　　磷烯是一種單元素的二維材料，根據材料的層數多少而具有不同的帶隙。由于磷烯中含有兩種不同的P-P鍵長度，其原子結構也頗有特色，從而具有各向異性的電、熱、離子傳導性質。理論計算預測，磷烯納米帶具有比磷烯更優異的性質。一維材料的柔性和非定向性，二維材料的高比表面積，以及二者兼具的電子限域和邊緣效應綜合在一起，有望產生獨特的能帶結構和新的應用。

　　預測表明，磷烯納米帶可能具有塞貝克效應，室溫磁性，拓撲相變，大激子分裂和自旋密度波等等特性，有望在熱電器件，光催化水分解，太陽能電池，電池，電子和量子信息技術等應用中大展拳腳。

圖1. 磷烯

　　擬解決的關鍵問題

　　任何材料的納米帶生產都是一項重大挑戰，磷烯納米帶也不例外。雖然石墨烯納米帶已有所進展，但是無法借鑒到對空氣敏感的磷烯納米帶體系中。目前為止，人們曾試圖通過多層黑磷的刻蝕來制造磷烯納米帶，然而，電子束雕刻并不能產生孤立的納米帶，所制備出的材料長度不超過15 nm。另一種方法是電子束光刻技術，迄今為止只生產出最小寬度約為60納米，高度約為3 nm的帶狀物，表明其帶隙和電子特性接近于塊體黑磷的帶狀物，而且這種光刻技術限制頗多。

　　因此，開發一種可以批量制備、大范圍精確控制尺寸的制備方法，是磷烯納米帶能夠發光發熱的關鍵問題。

　　成果簡介

　　有鑒于此，英國倫敦大學學院Christopher A. Howard課題組報道了一種通過離子剪切塊體黑磷晶體新策略，實現了大量制備高品質單個磷烯納米帶。

圖2. 磷烯納米帶制備過程示意圖

　　要點1. 巧妙的制備方法

　　本文所提出的制備方法主要分為兩個步驟：

　　1）首先，通過低溫氨化方法（Li / P的摩爾比為1/8）將鋰離子嵌入到塊狀黑磷晶體中；

　　2）然后，將所得化合物浸入非質子溶劑中并機械攪拌，即可產生穩定的磷烯納米帶分散液。

　　這種自上而下的工藝所制得的磷烯納米帶典型寬度為4-50 nm，主要是單層厚度，長度可達75 μm，縱橫比可達1,000。納米帶是原子級扁平的單晶，僅以Z字形結晶取向排列。

圖3. 納米帶的TEM表征

　　要點2. 全面的表征技術

　　為了研究磷烯納米帶的獨特性質，研究人員進行了各種表征策略。TEM用來表征其尺寸和形貌以及晶態信息等。HS-AFM用于表測量納米帶的厚度，拉曼光譜和XPS、UV-Vis等表征研究了納米帶的形成機理。

圖4. 納米帶的AFM表征

　　要點3. 合成機理的提出

　　作者認為，Li離子的快速嵌入導致沿Z字形方向的較長P-P鍵斷裂，在Li-BP晶體內形成帶狀碎片。離子嵌入使材料帶負電荷，當置于合適的極性溶劑中時，陰離子的磷烯納米帶可以溶解，超聲或攪拌可以促使各條帶完全分離。這種機制解釋了為什么磷烯納米帶寬度均勻，獨特的鋸齒形排列，光滑的表面等特性。

圖5. 形成機理研究

　　小結

　　總之，這項研究提供了一種全新的高品質磷烯納米帶的合成方法，促進了對磷烯納米帶獨特性質的深入研究，也為其他帶狀二維納米材料的合成帶來新的借鑒。