磷稀纳米带是否曾被你扔到垃圾桶？
为什么要研究磷稀纳米带
磷烯是一种单元素的二维材料，根据材料的层数多少而具有不同的带隙。由于磷烯中含有两种不同的P-P键长度，其原子结构也颇有特色，从而具有各向异性的电、热、离子传导性质。理论计算预测，磷烯纳米带具有比磷烯更优异的性质。一维材料的柔性和非定向性，二维材料的高比表面积，以及二者兼具的电子限域和边缘效应综合在一起，有望产生独特的能带结构和新的应用。
预测表明，磷烯纳米带可能具有塞贝克效应，室温磁性，拓扑相变，大激子分裂和自旋密度波等等特性，有望在热电器件，光催化水分解，太阳能电池，电池，电子和量子信息技术等应用中大展拳脚。
图1. 磷烯
拟解决的关键问题
任何材料的纳米带生产都是一项重大挑战，磷烯纳米带也不例外。虽然石墨烯纳米带已有所进展，但是无法借鉴到对空气敏感的磷烯纳米带体系中。目前为止，人们曾试图通过多层黑磷的刻蚀来制造磷烯纳米带，然而，电子束雕刻并不能产生孤立的纳米带，所制备出的材料长度不超过15 nm。另一种方法是电子束光刻技术，迄今为止只生产出最小宽度约为60纳米，高度约为3 nm的带状物，表明其带隙和电子特性接近于块体黑磷的带状物，而且这种光刻技术限制颇多。
因此，开发一种可以批量制备、大范围精确控制尺寸的制备方法，是磷烯纳米带能够发光发热的关键问题。
成果简介
有鉴于此，英国伦敦大学学院Christopher A. Howard课题组报道了一种通过离子剪切块体黑磷晶体新策略，实现了大量制备高品质单个磷烯纳米带。
图2. 磷烯纳米带制备过程示意图
要点1. 巧妙的制备方法
本文所提出的制备方法主要分为两个步骤：
1）首先，通过低温氨化方法（Li / P的摩尔比为1/8）将锂离子嵌入到块状黑磷晶体中；
2）然后，将所得化合物浸入非质子溶剂中并机械搅拌，即可产生稳定的磷烯纳米带分散液。
这种自上而下的工艺所制得的磷烯纳米带典型宽度为4-50 nm，主要是单层厚度，长度可达75 μm，纵横比可达1,000。纳米带是原子级扁平的单晶，仅以Z字形结晶取向排列。
图3. 纳米带的TEM表征
要点2. 全面的表征技术
为了研究磷烯纳米带的独特性质，研究人员进行了各种表征策略。TEM用来表征其尺寸和形貌以及晶态信息等。HS-AFM用于表测量纳米带的厚度，拉曼光谱和XPS、UV-Vis等表征研究了纳米带的形成机理。
图4. 纳米带的AFM表征
要点3. 合成机理的提出
作者认为，Li离子的快速嵌入导致沿Z字形方向的较长P-P键断裂，在Li-BP晶体内形成带状碎片。离子嵌入使材料带负电荷，当置于合适的极性溶剂中时，阴离子的磷烯纳米带可以溶解，超声或搅拌可以促使各条带完全分离。这种机制解释了为什么磷烯纳米带宽度均匀，独特的锯齿形排列，光滑的表面等特性。
图5. 形成机理研究
小结
总之，这项研究提供了一种全新的高品质磷烯纳米带的合成方法，促进了对磷烯纳米带独特性质的深入研究，也为其他带状二维纳米材料的合成带来新的借鉴。
