基于二维黑磷的光学性质研究与自修复器件设计

Black phosphorus has emerged as a new member of the two-dimensional (2D) layered materials family, together with a puckered orthorhombic graphene-like layered structure. Owing to its natural conducting properties, tunable bandgap and extraordinary electronic properties, black phosphorus is a potential materials for various applications in electronic, optics and energy storage. In this proposal, black phosphorus, the most promising candidate for optoelectronic device, would be studied in detail. By controlling the parameters of preparation process, the obtained black phosphorus nanosheets and its composites with different thickness and surface characteristics would be utilized to construct electronic devices including supercapacitors and gas sensors. Moreover, self-healing materials are introduced to integrate the black phosphorus based devices, which not only repair the unexpected internal or external damages but also enhance the reliability and lifetime. In addition, the non-linear optical properties of black phosphorus and its composites are explored and summarized by the Raman spectra and Z-scan test method, which would furnish theoretical support for solving the problems encountered in the practical applications. This research will greatly extent the applications of black phosphorus in electronics and optics, providing new fundamental academic breakthroughs for optoelectronics and supporting the development for relevant technologies.

二维家族的新成员黑磷拥有与石墨烯类似的二维单元素层状结构，由于其是天然的半导体，且带隙宽度可调、电学性能优越，在电子、光学、能源等领域有巨大的应用价值。本项目以在光电器件领域最有潜力的黑磷为研究对象，通过对黑磷薄层的可控制备及复合，得到有不同厚度和表面性质的薄层黑磷及其复合物，将样品应用于超级电容器和气体传感器等电子器的构筑。同时，针对电子器件在使用过程中可能出现的损毁问题，将自修复基底材料整合到器件中，提高器件的耐用性。此外，结合拉曼光谱和Z扫描的测试方法，探索黑磷及其复合物的非线性光学性质并总结其变化规律，为拓宽黑磷的实际应用时所遇到问题的解决提供理论支持。本项目的开展将极大地扩展黑磷在电子和光学领域的应用，为光电领域提供新的学术思想，支撑相关技术的研究与发展。

黑磷作为一种新型的单元素直接半导体二维材料，其优秀的光电性质自2014年被发掘出来之后，引起了相关领域科学家的广泛研究兴趣。目前对黑磷的各方面应用的开发还都处在实验室研究阶段。实际上，对于黑磷及其复合材料的制备、提高化学稳定性以及防降解措施的相关报道较少。本研究针对以上的问题，采用一步电沉积法制备了层状黑磷/聚吡咯自支撑复合薄膜，黑磷纳米片的加入有效地阻止了电沉积过程中聚吡咯的致密堆叠并产生了褶皱和/或孔隙，有利于电解质在充/放电过程中扩散到黑磷/聚吡咯膜电极内部扩散，并因此增强了薄膜电极的能量存储能力，同时聚吡咯可保持黑磷稳定性不变。优化后制备的层状BP/PPy复合薄膜的容量高达497.5 F g-1（551.7 F cm-3），10000次充/放电循环后能几乎完美地保持电容量，经过5次切断-自修复后，电容器还能保持原始容量的90%以上。基于层状黑磷/聚吡咯自支撑薄膜制备的高性能柔性超级电容器将成为用于各种便携式电子产品的有前途的储能装置，激发导电聚合物和2D材料的其他巧妙组合，增加电容量和循环寿命。此外，通过对黑磷/聚吡咯非线性吸收光学的研究，开发了Z-scan非线性光吸收测试，层状BP/PPy复合薄膜表现出非线性饱和吸收的性质，其在 800 nm 波段的调制深度可达 33.3%，高于纯黑磷的调制深度，这表明包覆在黑磷上的聚吡咯不但能提高黑磷的稳定性，还能增强其非线性饱和吸收，对于黑磷在激光调 Q和锁模方面的应用性能有极大的提高，同时开拓了另外一种制备高性能饱和吸收体的方法。同时，较系统地研究了高能球磨制备黑磷的影响因素，随着球磨时间的增加提高了球磨黑磷的结晶度和转化率，将球磨黑磷作为可饱和吸收体应用在锁模光纤激光器中，其给出了一个典型的锁模光谱并有明显的 Kelly 边带，表明处于稳定锁模的工作状态。在本项目的资助下，其他二维类黑磷材料的制备及应用开发也取得了一定的成果。