黑磷纳米管的物性研究

毕业论文 (设计)题 目 黑磷纳米管的物性研究 学生姓名 王臣军 学 号 20131338005学 院 物电院专 业 材料物理指导教师 李庆芳 二一七 年 五 月 二 日黑磷纳米管的物性研究摘要关键词：黑磷、纳米管、电子结构、光学性质Study on Physical Properties of Black Phosphorus NanotubesAbstract：Key words：Black phosphorus 、Nanotubes、Electronic structure、Optical properties第一章 绪论1.1 层状黑磷纳米材料研究现状目前，石墨烯的片层结构让碳成为了优秀的纳米管原材料，石墨烯不存在带隙，是一种优秀的导体（即所谓的零隙纳米管），但是由于石墨烯的性质，我们发现石墨烯在半导体的领域很难发挥作用，现如今的半导体应用制备的器件对于材料的带隙有非常高的要求。然而黑磷的层与层之间的键合要弱于层内的键合，并且具有导电性，类似于石墨烯，并且理论上预测可以得到黑磷的纳米管结构。黑磷纳米管是否能够稳定存在？不同形态的黑磷纳米管具有什么样的物理化学性质？这些都成为了黑磷研究领域的热门课题。从黑磷的电子结构来看，黑磷的纳米结构理论上是具有可调性的半导体，因而黑磷在纳米半导体的发展前景及其好。那么对于黑磷这种能够在半导体纳米材料领域大放异彩的优异材料，让其广泛应用的难题在于，单层黑磷的制备和黑磷纳米管的性质如何稳定。黑磷结构图通过如今已有的相关研究资料我们可以知道黑磷单层带隙在 0.9eV 左右。带隙大小会随着层数的增加而减小。那么通过调控材料的层数便可以调控材料的带隙。独特的几何结构和电子结构赋予了单层黑磷优异的物化性质。单层黑磷本身不具备磁性，通过Mn、Fe 、Co 等磁性过渡金属阳离子的掺杂和吸附而形成二维黑磷 DMS 混晶，局域顺磁离子与迁移载流子（电子或空穴）之间的自旋-自旋相互作用结果产生一种新的交换相互作用，使得黑磷稀磁半导体具有很多与普通半导体截然不同的特殊性质，如磁性、显著的磁光效应和磁输运性质。黑磷单层的顶部（左）和侧面（右）视图讨论完黑磷单层的结构性质之后，我们了解到了黑磷单层的应用优势，毫无疑问，其在各种光学、电学器件里有巨大潜力，因此在场效应晶体管、光电子器件等等方面预计有一些令人期待的发展应用，在这里主要对于场效应晶体管和光电子器件的部分应用阐述一些发展前景，来表现黑磷纳米材料的研发意义。由于本论文是对于黑磷纳米管的电学性质和光学性质进行讨论，所以对于黑磷纳米材料其他领域的应用就不再赘述。（1 ）场效应晶体管现如今，二维黑磷晶体在应用于场效应晶体管方面有非常好的前景，Koenig 团队成功制备出了黑磷晶体管并且发现其有及其良好的电学性质，具体体现为室温条件下，黑磷晶体管的载流子迁移率达到 300 ，漏电调制率大于 1000，而在低温下的开关比达到了 100000 次以上。毫无疑问，这些电学性质使得黑磷纳米材料可以在电子器件领域有极大的发展前景，这也是研发出新的低耗高效场效晶体材料的一大希望。图为 Koenig 的团队制作的薄层黑磷晶体管，并且通过四探针法、双探针法对基体上的电学性质进行测试。（2 ）光电子器件黑磷纳米材料为何能在光电子领域有所应用呢？因为层状的黑磷载流子迁移率非常高加之此前已经提到过的其带隙较小并且可调控。黑磷纳米材料的光吸收谱中观察到了二向色性，所以可以直接测定黑磷的晶格方向和光在黑磷纳米材料中的传导性。从结构上来看，黑磷纳米材料（如单层黑磷）已经表现出的光学性质是光在单层黑磷中发生了自增强和自激发，这是由于单层黑磷的电子排列是单一的方向性。黑磷单层的带隙可调控给我们在设计器件的性能时有巨大的帮助，可以非常简单方便的改变器件。图为用层状黑磷构建的高性能光电探测器，其中红色部分是三层黑磷，仅仅这三层黑磷就可以感应到绿色区域发出的光。最后，关于黑磷单层的制备，现在已经有了一些成熟的工艺方法。例如，机械剥离法，即用特殊制备的胶带对黑磷基体进行剥离，即通过先机械剥离，再用 Ar+离子吹薄剥离，制得单层黑磷。其次是液相剥离法，在有机溶液与 chp 环丙醇的混合溶剂中加入黑磷，超声波处理后通过离心等方式获得黑磷，之外还有化学合成法等等。这些制备黑磷单层的方法基本上同理于石墨烯的制备方法。1.2 黑磷纳米管的研究现状1.1 的内容向我们展示了黑磷单层的性质以及应用前景，那么作为黑磷的另一大同素异形体黑磷纳米管，会存在什么样的结构性质呢？首先，我们知道正交黑磷是正常条件下磷的最稳定形式，它具有层状结构。在单层中，P 原子排列在类似于石墨烯层的蜂窝网络中。黑磷纳米管的构象可以用一对整数指数（n1，n2）描述，其定义汇总向量 R = n1R1 + n2R2。 R1 和 R2 是单层的晶格矢量。曲卷后，得到的紧密结合的管状结构就是磷纳米管。在结构上，碳纳