Small Methods:二维黑磷各向异性研究最新综述

smtd201700143-gra-0001-m近期,二维黑磷作为一种新型的二维半导体材料吸引了研究人员的广泛关注。特别地,和其它具有高对称性的材料相比,黑磷具有独特的面内各向异性,源自于其晶体结构的不对称性。具体来说,是指沿着黑磷面内互相垂直的两个方向:扶手椅方向和Z字型方向,其晶体结构分别呈现出折叠形和山脊形,导致沿这两个方向的原子间共价键的键长和键角的不同,使得黑磷的物理、化学、力学及热学等性质沿着不同的晶体方向呈现显著差异。黑磷这一独特的各向异性使其区别于石墨烯、过渡金属硫族化物等其它二维材料,为基础科学的研究和新型微纳器件的开发方面提供了一个很好的平台。

近日,美国西北大学M. C. Hersam教授及其科研团队从黑磷各向异性的原子结构出发,总结了表征黑磷各向异性的实验和计算方法。该综述文章介绍了黑磷各向异性在光学、晶格振动、电子学和电输运、热学以及机械学等各个方面的体现。比如,黑磷晶体结构的不对称性可以同过扫描电镜、高分辨率透射电镜和选区电子衍射等手段进行表征,黑磷晶格振动的各项异性可以通过拉曼谱进行表征。并且,由于黑磷的几个典型的拉曼振动模的强度会随着入射光和散射光的偏振方向以及二者的夹角而变化,拉曼光谱检测为黑磷晶向的确定提供了一个快速简便的方法。而在光学方面,黑磷的各向异性体现在偏振度可分辨的光吸收谱、消光光谱、透射光谱、反射光谱、光致发光谱和光电流谱等多个方面,可为黑磷基光电器件的设计提供新思路。在电子学方面,黑磷的电子和空穴的有效质量呈现出明显的各向异性,在宏观上体现为沿着不同晶向的载流子迁移率和电导率的差异。而且,其各向异性的电输运特性可以通过掺杂和加应力来调控。在热学方面,黑磷各向异性的热导率主要来源于各向异性的声子分布,可通过微区拉曼谱和时域热反射谱来测量。在力学方面,黑磷的各向异性主要体现在其杨氏模量和谐振频率沿不同方向的差异,可通过原子力显微镜和机械测试等手段进行分析。此外,M. C. Hersam教授等指出,开发出快速且无损伤地鉴定黑磷晶向的技术手段,对于更好地理解和应用黑磷的各向异性非常重要。文章还介绍了最近涌现的一些其它各向异性纳米材料,如GeS、GeSe、SnS、SnSe等半导体材料, ReS2、ReSe2 、MoTe2、WTe2等拥有金属原子链的1T/1T’相的过渡金属硫族化物等,它们的多样性为对层状各向异性材料的物理性质研究和应用提供了丰富的机会,而对黑磷各向异性研究的原理和技术手段无疑也能拓展到其它各项异性二维材料的研究,并有助于推进各种二维材料在未来微纳技术领域的实际应用。

相关文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700143)上。

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