英国研究人员世界首创微小的、独立的、柔韧的磷烯纳米带

【据科学日报网站2019年4月10日报道】英国伦敦大学学院（UCL）研究人员在世界上首次制造出微小的、独立的、柔韧的磷烯纳米带，它们有望彻底改变电子和快速充电电池技术。 

磷烯（Phosphorene）是一种新兴的单元素二维材料，2014年被首次分离出以来，其结构与石墨烯类似，其带隙具有典型的层数相关性。而与此同时，纳米带因其结合了一维纳米材料的特性和二维材料高表面积的特点，并同时表现出出电子-限域以及边界效应，近年来成为相关研究领域的热门材料。由此，凭借独特的各向异性结构，关于磷烯纳米带（PNRs）的理论计算研究显示PNRs具备优异的性能。然而，有关制备真正离散PNRs的研究到目前为止尚未出现。 

4月10日发表在《自然》杂志上的一项研究（“磷烯纳米带的制备”，Production of phosphorene nanoribbons）中，来自英国伦敦大学学院、美国布里斯托尔(维吉尼亚州)联邦大学和瑞士洛桑联邦理工学院大学的研究人员描述了他们如何从黑磷和锂离子晶体中生成大量高质量的磷带。 

“这是第一次制造出离散的磷烯纳米带。研究作者克里斯・霍华德博士(UCL物理学和天文学)说:“人们已经预测到了这种材料令人兴奋的性质，磷烯纳米带可以发挥变革作用的应用领域非常广泛。”。 

霍华德等人利用“离子剪（Ionic scissoring）”的形式对黑磷晶体进行处理，获得了大量高质量、单个PNRs。这一自上而下的方法主要分为两步，首先将黑磷块体利用锂离子进行插层处理，获得的产物之后浸没在质子惰性的溶剂中并进行机械搅拌，最终产生稳定分散的PNRs溶液。由此制备的PNRs具备4-50纳米不等的宽度，主要为单层厚度，测量长度可达75微米，纵横比最高可达到1000左右。研究还发现该纳米带材料为原子级单晶，以Z字形晶体取向进行排列对齐。这一简单的液相制备方法为实验研究PNRs的性质及其应用奠定了基础。 

“通过使用先进的成像方法，我们对磷烯纳米带进行了非常详细的观测描述，发现它们极其扁平、结晶完好、异常柔韧。大多数只有一层原子厚，但是当纳米带由一层以上的磷原子构成时，我们发现在各层之间有无缝的台阶。”第一作者米奇・瓦特(UCL物理学和天文学)解释说:“这是以前从未见过的，据推测每一层都应该有不同的电子性质。”。 

虽然已经有多种不同材质的纳米带问世，如石墨烯，但是此次生产的磷烯纳米带更有更大的宽度、厚度、长度和长宽比。此外，它们可以在液体中规模化生产，从而可以低成本大量应用。 

该团队表示，预计的应用领域包括二次电池、太阳能电池、用于将废热转化为电能的热电装置、光催化、纳米电子学和量子计算等。此外，该团队还预测了一些奇异效应的出现，包括新型磁性、自旋密度波和拓扑状态等。 

“我们试图制作磷烯片，但非常惊讶地发现得到的是磷烯纳米带。”霍华德博士说:“为了让纳米带具有明确且稳定一致的特性，它们的宽度与长度的比例应保持一致，我们发现制得的纳米带就是这样。”。 

“在发现纳米带的同时，我们表征其形态的工具也在迅速发展”，合著者洛伦・皮科博士(VCU物理学)解释说:“我们在布里斯托尔大学制造的高速原子力显微镜具有独特的能力，可以将纳米带的纳米级特征在宏观长度上反映，还可以通过大面积成像，对数百条纳米带的长度、宽度和厚度范围进行详细评估。” 

在继续研究纳米带基本特性的同时，该团队还打算通过拓展全球合作以及与UCL各地的专家团队合作，探索纳米带在储能、电子传输和热电装置中的应用前景。 

这项工作得到了英国工程和物理科学研究委员会和皇家工程院的资助。（中国船舶工业综合技术经济研究院 丁宏）