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Nano Res.│台国安教授课题组:硼烯-石墨烯异质结的制备及其超灵敏湿度传感特性

Nano Res.│台国安教授课题组:硼烯-石墨烯异质结的制备及其超灵敏湿度传感特性

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发布时间:
2021/01/11 17:02
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​背景介绍


  近年来,硼烯凭借其独特的结构、光学和电学特性在理论与实验方面引起了科学界的广泛关注。硼烯的研究始于上世纪末,由于其没有相应的体相层状结构,导致硼烯的实验进展较为缓慢。直到2015年,南京航空航天大学台国安教授课题组首次通过化学气相沉积法在铜箔上生长出了γ-B28相硼单层(Angew. Chem. In. Ed., 2015, 54, 15473-15477),随后美国阿贡国家实验室和美国西北大学课题组以及中科院物理研究所课题组在超洁净银单晶表面生长出了二维硼单层(Science, 2015, 350, 1513-1516; Nat. Chem., 2016, 8, 563-568)。然而,已报道的硼烯结构大多为金属态并且脱离金属基底的硼烯结构不稳定,极大地制约了硼烯在信息、能源、生物等高科技领域的广泛应用。为了继续推动该领域的发展,台国安教授课题组通过硼氢化合物在高温下多步热分解法宏量制备了高质量超稳定的二维α′相氢化硼烯(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10819–10825),该研究结果也为实验上实现硼烯异质结的研究提供了前提与保障。受ChemPlusChem主编邀请撰写了硼烯的研究进展和前景展望综述(ChemPlusChem, 2020, 85, 2186-2196)。因此,开展硼烯与其它二维材料构筑异质结构及其电子器件,并揭示与分析其在二元协同作用下独特的物化性质及其优异性能尤为重要。

 

成果简介


  南京航空航天大学台国安教授课题组在高纯氢气作为保护气氛条件下原位分步加热硼氢化钠和少数层石墨烯的混合物,制备了一种新型的硼烯-石墨烯异质结构,构筑了基于硼烯的超灵敏湿度传感器,展示出其在高性能电子器件上的应用潜力。在室温下,他们测试了硼烯-石墨烯异质结构的湿度响应行为,该器件显示出超高的灵敏度(4 200 %)兼具快速响应/恢复特性(10.5/8.3 s),并具有良好的稳定性和可弯曲性(柔性)。在湿度为85%的条件下,硼烯-石墨烯湿度传感器的灵敏度比原始石墨烯和硼烯的对应器件分别高达700和23倍。与其它已报道的二维材料的不可逆传感特性不同,硼烯-石墨烯传感器具有可逆传感特性有助于其长寿命和可重复应用。同时,该课题组揭示了硼烯-石墨烯异质结传感器的优异湿度响应归因于潮湿环境下硼烯中空穴浓度的增加进而导致p 型硼烯导电性能的提升。这一研究结果不仅为实现稳定硼烯基异质结构提供了实验研究途径,也拓展了硼烯在传感器件领域的应用。

 

图文导读


图一:硼烯-石墨烯异质结构制备过程示意图

 

图二:硼烯-石墨烯异质结构的形貌和结构表征

(a-c) 少数层石墨烯、硼烯和硼烯-石墨烯异质结构的扫描电子显微图。(d)异质结构的低倍透射电镜图。(e) 硼烯的低倍透射电镜图。(f) 高分辨率透射电镜图,插图为对应的SAED图和计算模型。(g-i) 异质结构的面能谱图。

 

图三:硼烯-石墨烯异质结的结构和光学性质

(a)和 (b) 分别为硼烯-石墨烯异质结构和单独硼烯的X射线光电子能谱。(c) 异质结构的C 1s高分辨率X射线光电子能谱。(d) 异质结构的B 1s高分辨率X射线光电子能谱。(e) 异质结构的拉曼光谱。(f) 异质结构的光致发光光谱。

 

图四:硼烯-石墨烯湿度传感器的构筑与测试

(a)硼烯-石墨烯的湿度传感器示意图。(b) 不同相对湿度下,异质结构的湿度传感性能。(c) 在不同湿度下,异质结构传感器的灵敏度测试。(d, e) 在85% 的相对湿度下,异质结构、单独石墨烯和单独硼烯传感器的稳定性测试。(f) 在85% 相对湿度下,异质结构传感器响应和恢复曲线。(g) 在43%、67%、75%和85%的湿度条件下,异质结构传感器的稳定性测试。(h) 在PET衬底上的异质结构传感器弯曲结构示意图。(i) 有无弯曲应变时,传感器的响应曲线。 

 

作者简介


  通讯作者:台国安,南京航空航天大学教授,博士生导师。机械结构力学及控制国家重点实验室和纳智能材料器件教育部重点实验室固定人员。目前主要从事硼烯、硫化钼、石墨烯二维原子晶体材料的构筑以及多场耦合器件性能调控研究。已在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nanoscale、Appl. Phys. Lett.等国内外期刊发表70 余篇学术论文,其中SCI 学术论文51 篇,被SCI他引2100 余次,第一作者论文单篇最高引用150 余次。在国际上首次报道了硼单层的实验突破,被Nature 期刊以“Boron made into 2D sheet”为题作了亮点报道(Nature, 2015, 527, 136),英国皇家化学会的Chemistry world上以“Flat boron first looks promising for nano-electronics”为题进行了专题报道,美国化学学会的Chemical &Engineering News 以题为"Research Teams Make First 2-D Sheets of Boron"作了高度评价。主持国家自然科学基金3项,江苏省自然科学基金面上项目3项,以及教育部博士点基金、博士后特别资助基金等项目十余项。作为学术骨干参与国家纳米制造重大研究计划、973等科研项目。入选2018年南京航空航天大学“长空英才”计划,2017年江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养计划。获2011年教育部“高等学校科学研究优秀成果奖”自然科学奖一等奖(排名第六),2012年获全国优秀博士论文提名和2010年江苏省优秀博士学位论文。

  第一作者:侯闯,南京航空航天大学航空学院2020级春季博士生。主要研究方向为硼基二维材料的制备及其传感器件研究。在Angew. Chem. Int. Ed.(第1作者)、Nano Res.(第1作者)、Chempluschem (第1作者)、ACS Appl. Mater. Inter.、Adv. Opt. Mater.、Nanoscale等刊物上发表多篇论文。

  本课题组欢迎力学、材料、物理、航空航天和人工智能等背景的优秀学子来实验室进一步深造,我们有着良好的科研平台,学术气氛浓厚。学生的才能可以得到自由自主的充分发挥,期待你的加入,使得我们硼必生辉,硼程万里!E-mail: taiguoan@nuaa.edu.cn.

文章来源: NanoResearch 

 

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