等离激元增强的二维黑磷各向异性光电特性研究

The development of high-performance anisotropic optoelectronic functional materials and devices is a hot topic in the optoelectronic field. Owing to the unique atomic arrangement, black phosphorus (BP) performs as a typical anisotropic two-dimensional semiconductor with outstanding optical and electronic properties. If the physical properties along zigzag and armchair orientations could be much more different, the new generation BP-based anisotropic optoelectronic device is going to be realized. In this project, we propose to study the plasmon resonance enhanced anisotropic optoelectronic properties in BP by designing and constructing various BP/noble-metal composite nanostructure. Based on the pre-developed chemical vapor transfer method and exfoliation technique, we will grow BP single crystal and achieve large size nano-flakes first. After successfully building of gold nanorods vertical and horizontal array, we may find the suitable way to combine the metal assembles and the BP flakes. Afterwards, the enhanced anisotropic photoluminescence and optoelectronic response of BP will be studied, which is induced by the resonance energy transfer, the local electric field enhancement or the hot-electron injection. With the aid of theoretical analysis, the interaction mechanism can be revealed. Meanwhile, we will optimize the structural parameters to fabricate high-performance anisotropic composites, and explore its application of polarization-sensitive photodetection and so on. It is highly expected that the implementation of this project will lay a scientific foundation for the construction of black phosphorus-based high-performance anisotropic optoelectronic functional materials and devices, promote the development of anisotropic optoelectronic functional materials, as well as providing some references for the design of new two-dimensional materials/metal composite nanostructures.

发展高性能各向异性光电功能材料和器件是当前光电信息领域的研究热点。黑磷独特的原子排布方式使其成为典型的具有面内各向异性的二维半导体，并具有优异的光电特性。倘若可以放大其沿着不同晶向光电性质之间的差异，那就能基于黑磷构建具有显著各向异性的光电功能器件。本项目拟开展等离激元增强黑磷各向异性光电特性研究。项目依托前期建立的黑磷单晶生长方法和二维黑磷纳米片剥离技术，通过构筑金纳米棒竖直密堆阵列和水平平行阵列，构建黑磷/贵金属复合纳米结构；随后利用共振能量转移、局域电场增强、热电子注入等增强黑磷的各向异性光致发光和光电响应。结合理论分析揭示背后的物理机制，优化结构参数实现高性能各向异性复合材料的制备，并探索其在偏振光电探测等领域的应用。本项目的实施将为黑磷基高性能各向异性光电功能材料和器件的构筑奠定科学基础，也可为新型二维材料/金属复合纳米结构的设计制备和光电性能研究提供借鉴和参考。

黑磷独特的原子排布方式使其成为典型的直接带隙二维半导体，并具有优异的光电特性，基于黑磷的光电器件具有各向异性、高载流子浓度、高开关比等优势。黑磷的二维平面属性又进一步使其易于构建异质结构，进一步提升光电特性。在本项目研究中，实现了高质量黑磷晶体的规模化制备；开发了高效的黑磷剥离技术，快速获得了大面积薄层黑磷纳米片用于后续的异质结构建和光电性质研究；合成了多种贵金属纳米材料；设计了一系列基于黑磷的纳米异质结构；进一步研究了黑磷及其异质结在光电导、光电催化、光增强忆阻器等方面的性能；此外，我们还合成了具有更强的各项异性的纤维磷纳米带和一维黑磷纳米线。. 在研究过程中开发的等温化学气相传输晶体生长技术不仅提出了新的黑磷成核机制，还可以大幅降低能耗、提高反应过程的安全系数、降低社会经济成本，进而促进黑磷的工业化生产；甚至有望在现在的研究基础上开发出直接对接白磷生产线的黑磷生产线。同时基于等温化学气相传输，也成功实现了高各向异性的准一维纤维磷的大规模合成，单次产量达到10克。面向二维黑磷应用中普遍存在的稳定性问题，采用配合物包覆和表面金属修饰的技术，钝化了黑磷的孤对电子，降低了其对水氧的敏感性。而基于黑磷构建的系列异质结构如黑磷/磷化二钴、黑磷/氮化碳、黑磷/硒化钼等都在光电催化等方面表现出非常出色的性能，其中黑磷表面原位生长磷化钴不仅带来了催化性能的提升，其在溶液环境下的稳定性也有明显的改善。以聚合物包裹的黑磷纳米片为阻变层的光增强忆阻器性能可以在紫外（380 nm）、可见（500 nm）和近红外（785 nm）等波长的光下进行调控；其复位电压和功耗均得到降低，存储窗口提升10倍；该工作可以在电、光共同刺激下提升异质结器件的光电性能，为其他基于二维材料的多功能微电子器件的开发提供了新思路。总之，本项目的实施，为黑磷等二维材料的性质研究和应用开发提供了较好的借鉴。