二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件应用中所面临的机遇和挑战。     

基于二维材料及其范德瓦尔斯异质结的光电探测器

近些年来,石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物以及其他二维材料受到了越来越多的关注。凭借其独特的结构和优异的电学、光学特性,这些二维材料在光电器件中得到了广泛应用,具有良好的发展潜力。本文概述了二维材料在光电探测器领域的最新研究进展,介绍了一些常见的二维材料及其制备方法,阐述了光电探测器件的基本原理和评价参数,以及回顾了二维材料及其异质结构在光电探测器中的应用,最后总结了该领域仍然面临的挑战并对其未来的发展方向进行了展望。     

二维高分子——新碳同素异形体石墨炔研究

二维平面网络结构的石墨炔具有大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和半导体性能.石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景.自2010年被成功合成后,吸引了来自化学、物理、材料、电子、微电子和半导体领域的科学家,对其诱人的半导体、微纳电子、光学、储能、催化和机械性能进行了探索.本文总结了二维高分子石墨炔的研究进展,重点描述了石墨炔潜在性质和性能的理论预测,以及石墨炔的合成及其在电子、光伏、储能和催化领域的应用等.     

二维钙钛矿材料及其在光电器件中的应用

二维钙钛矿作为一种新型光电材料,既具有二维材料的可溶液加工、柔性、可穿戴性以及廉价容易制备等特点,又具备钙钛矿材料结晶度高、载流子迁移率高、激子束缚能低、量子效率高、吸收光谱宽、光吸收系数高和能耗损失低等特性,已经成为材料研究领域的热点而受到广泛关注。本文深入分析了二维钙钛矿材料的组成特点及结构构建规则,探究了其光电特性、能带性质以及非线性光学性质等,对二维钙钛矿光电材料常见的两大类制备方法液相法和气相法进行了归纳,总结了二维钙钛矿材料在太阳能电池、光电探测器、发光二极管、场效应晶体管和激光等光电器件领域的应用现状,最后对该类材料目前存在的主要问题及未来发展前景进行了展望,以期为设计制备高性能二维钙钛矿光电材料提供参考。     

二维碳石墨炔的结构及其在能源领域的应用

从二维碳材料石墨炔(GDY)的分子和电子结构出发,重点论述石墨炔在能源存储和转换两个领域的应用,包括最新的理论和实验进展。石墨炔独特的三维孔隙结构,使得石墨炔在锂存储和氢气存储应用中具备天然的优势,既可以用作锂离子相关的储能器件,包括锂离子电池、锂离子电容器等;也可作为储氢材料,用于燃料电池等。通过掺杂的方法,还能进一步提高石墨炔储锂和储氢的性能。由于sp炔键和sp²苯环的存在,使石墨炔具有多重共轭的电子结构,在具备狄拉克锥的同时,其带隙也可通过多种途径调控,使得石墨炔不仅可以作为非金属高活性催化剂替代贵金属在光催化等方面应用,还可以在太阳能电池的空穴传输层和电子传输层方面获得应用,展现了石墨炔在能源方面独特的应用价值。我们将从理论预测和实验研究两方面介绍该领域目前的研究现状和发展趋势。     

二维半导体材料纳米电子器件和光电器件

近年来,随着各领域对微电子器件集成度及性能要求的不断提高,发展基于二维半导体材料的新型高性能功能性器件成为了突破当前技术瓶颈的重要环节和关键方向。目前,作为新型二维半导体材料的代表,二维过渡金属二硫化物、二维黑磷以及范德瓦尔斯异质结凭借其在电学、热学、机械、光学等方面的优异性能已经成为了发展高性能纳米电子器件和光电器件的最具潜力的材料之一。在本综述中,首先概述了几种用于纳米器件的常见二维材料,分析了材料的结构、性能及其在纳米器件中的应用,其次重点对基于过渡金属二硫化物、黑磷以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的纳米电子器件和光电器件的最新研究进展进行讨论,最后对目前二维半导体纳米器件所面临的挑战以及未来的发展方向进行总结及分析,从而为未来发展高性能功能性纳米器件提供支持。     

二维分子晶体的研究进展

二维分子晶体具有超薄、长程有序、无晶界和缺陷密度低等优点,是构建多种高性能光电器件的理想材料.实现二维分子晶体的低成本、大面积制备是二维分子晶体走向应用的关键.目前,人们开发了多种方法,在气相和液相中实现了二维分子晶体的可控制备,并揭示了这类二维有机体系独特的光电性能.本文综述了二维分子晶体的制备方法及其在有机场效应晶体管和光探测器等器件中的应用.     

二维材料的一维纳米带

自石墨烯被发现以来,二维材料研究成为一个新的研究热点。当二维材料制备成一维纳米带结构后,由于宽度方向上的限域效应和边缘结构的差异,导致其具有区别于二维材料的独特的电学、光学和磁学性质,因此逐步成为科学家关注的焦点。本文主要介绍了石墨烯、石墨炔、联苯烯、氮化硼、黑磷、过渡金属二硫族化合物等二维材料的一维纳米带的结构、制备方法和性能研究。首先讨论了二维材料制备成一维纳米带后的结构与性能的改变;其次,着重阐述了典型的纳米带制备方法,包括“自上而下”和“自下而上”两种策略,如二维片层刻蚀、打开纳米管、化学合成、化学气相沉积、外延生长及碳纳米管限域生长等方法,实现可控制备指定纳米宽度与具有特定边缘结构的纳米带,最终获得不同于其二维材料本体的特殊性能。最后,总结了不同方法制备纳米带的优缺点,提出了需要克服的困难和挑战,并展望了未来的研究方向,希望能引起国内外同行的广泛关注。     

基于3d元素掺杂的石墨二炔分子传感材料性能调控

二维碳材料因其独特的性质成为凝聚态物理、纳米电子学、生物医药等领域的前沿研究热点。石墨二炔具有天然的半导体特性及独特的大孔网状结构,在纳米电子器件和生物传感方面比石墨烯更具优势。本文使用第一性原理计算研究了单层石墨二炔的纳米带电子输运性质和及石墨二炔对小分子的吸附。我们考虑用掺杂3d金属原子的方法来增强对分子的吸附力。选择在石墨二炔表面吸附能较大的钪(Sc)、钛(Ti)原子,确定石墨二炔表面Sc、Ti单原子在室温下的稳定性,研究了Sc、Ti掺杂石墨二炔用于分子检测的潜在可能。从能带、载流子浓度等方面全面探讨了Sc、Ti掺杂石墨二炔对甲醛分子(HCHO)的响应。又进一步研究了石墨二炔与氨基酸分子间相互作用,发现色散力在相互作用中占主导地位。研究了吸附氨基酸对石墨二炔电子输运的影响,探讨石墨二炔在生物传感方面的潜在应用。     

sp2碳连接的二维聚合物

二维多孔聚合物具有光学各向异性、高的电子迁移率、可逆的氧化还原等众多特性,因此它们作为关键材料用于气体吸附与分离、燃料电池膜、超级电容器等领域。这类二维多孔聚合物通常可分为二维金属-有机骨架、二维共价有机骨架、石墨化氮化碳、石墨炔和三明治型多孔聚合物纳米片。其中,sp~2杂化碳(C_(sp~2))连接的二维多孔聚合物是新兴的研究领域。与C―N、B―O和C≡C键连接的二维多孔聚合物相比,C_(sp~2)-二维聚合物因其高的电子迁移率和可调的带隙而具有独特的光电性质、高的化学/光稳定性和可调的电化学性质。此外,C_(sp~2)-二维多孔聚合物是制备过渡金属单原子的2D多孔碳材料的重要前驱体之一。总结了C_(sp~2)-二维多孔聚合物的可控合成方法,并讨论了它们在光电器件、气体分离、发光传感和成像、电化学能源存储和光催化等领域的应用情况。     

Water Adsorption and Transport on Oxidized Two-Dimensional Carbon Materials

Studies on the adsorption and transport of water molecules with oxidized two-dimensional (2 D) carbon materials have attracted increasing interest owing to their wide range of applications, such as sensing, energy conversion, and membrane separation. In this contribution, the interaction between water molecules and oxidized 2 D carbon materials (i.e., graphene oxide and graphdiyne oxide) is discussed, the influence of water adsorption and transport on the physicochemical properties of 2 D carbon materials is presented, and the recent progress on oxidized 2 D carbon material-based proton conduction, electricity generation, water transport, and humidity sensing is highlighted. The opportunities and challenges in these research fields are discussed, especially the structural stability and chemical modification of 2 D carbon materials.     

含异原子石墨炔基电极材料的研究进展

碳材料具有价格低廉、 易制备、 环境友好、 导电性高、 比表面积大以及适合离子存储和迁移等优点, 已成为目前应用于电化学储能器件电极的重要材料之一. 石墨炔(GDY)是一种新型的二维碳同素异形体, 由sp²碳杂化形式的苯环和sp碳杂化形式的炔键构成. 这种独特的化学结构一方面保持了碳材料良好的导电特性, 另一方面形成了新颖的离子传输通道, 为碳材料带来了不同的离子传输和存储特性. 与此同时, 由于石墨炔的空间结构可调性, 可以通过引入异原子微调石墨炔电子结构, 拓展石墨炔在电极材料领域的应用. 本文重点对近几年异原子杂化石墨炔基电极材料在锂离子电池、 钠离子电池、 金属硫电池、 电容器、 金属空气电池和电极保护等储能领域的研究工作进行总结, 并对未来石墨炔类材料在储能领域的发展进行了展望.     

Infrared Polaritonic Biosensors Based on Two-Dimensional Materials

In recent years, polaritons in two-dimensional (2D) materials have gained intensive research interests and significant progress due to their extraordinary properties of light-confinement, tunable carrier concentrations by gating and low loss absorption that leads to long polariton lifetimes. With additional advantages of biocompatibility, label-free, chemical identification of biomolecules through their vibrational fingerprints, graphene and related 2D materials can be adapted as excellent platforms for future polaritonic biosensor applications. Extreme spatial light confinement in 2D materials based polaritons supports atto-molar concentration or single molecule detection. In this article, we will review the state-of-the-art infrared polaritonic-based biosensors. We first discuss the concept of polaritons, then the biosensing properties of polaritons on various 2D materials, then lastly the impending applications and future opportunities of infrared polaritonic biosensors for medical and healthcare applications.     

Recent Development in Liquid Metal Materials

Liquid metals (LM) have shown a very broad development prospect over the past decades. This review article focuses on the latest research dedicated to liquid metal materials and their applications in five significant areas: stretchable conductive composite, intelligent sensing electronic skin, catalysis, 3D printing material, and driving machines. The fabrication, specific properties and application of stretchable liquid metal-polymer composites that can be used as self-healing materials have been summarized. Liquid metal deposition printing technology, liquid phase 3D printing, suspension 3D printing technology, micro-contact printing technology, and in vivo 3D printing molding technology have also been reviewed. Furthermore, the application of liquid metal catalyst in aldehyde reaction, photocatalysis, and electrocatalysis have been discussed. We have shown that electricity, magnetism, sound, light and heat could stimulate the movement of liquid metal. Through this comprehensive overview of the latest research, the main practical application, development, and mechanism of liquid metal were summarized and described. The future development of liquid metal technology was prospected, thus providing a strong basic research support for the further development of LM materials and their applications.     

小分子有机电致发光器件和材料的研究及应用

有机电致发光器件(OLED)是在电场作用下,以有机材料为活性发光层的器件.由于OLED具有亮度高、响应快、视角宽、工艺简单、可柔性等优点,在现代科学研究及技术应用中备受关注.其商业化应用,诸如平板显示(FPD)和固体照明(SSL)等,正在不断向前推进.本文综述了小分子OLED的各种器件结构和功能材料研究进展以及该领域存...     

范德华外延生长硫化镉二维纳米片及其光致发光性能研究

二维纳米材料具有独特的结构和优异的性能,在电子学及光电子学领域有广泛的应用前景,但关于硫化镉二维纳米材料的制备及性能研究还鲜有报道。本文首次采用范德华外延生长技术,在氟金云母片衬底上制备了硫化镉二维纳米片。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、X射线粉末衍射仪和拉曼光谱仪等分析手段对产物的形貌、厚度、晶体结构、成分等进行了系统的研究。结果表明,纳米片具有六方纤锌矿晶体结构,尺寸约为几个微米,厚度约为几十纳米。范德华外延生长技术在硫化镉二维单晶纳米片制备上的成功应用,为其它二维非层状材料的制备提供了新的思路,并使其在高性能电子和光电子器件上的应用成为了可能。     

Ultrafast Electrochemical Capacitors with Carbon Related Materials as Electrodes for AC Line Filtering

High-frequency responsive electrochemical capacitors (ECs), which can directly convert alternating current (AC) to direct current (DC), are getting more essential for the rapid development of electronic devices. In order to satisfy the requirements of ECs with fast rate capability and appreciable capacitance density, numerous efforts have been made towards the preparation and design of the electrode material, which is a decisive factor in the performance of ECs. Carbon-related electrode materials have been widely shown to significantly increase the performance of ECs because of their light weight, high strength, and high processability. In this concept, the latest advances in the rational design and controllable fabrication of carbon-related electrode materials, including planar 2D materials, random 3D, and vertical carbon materials are summarized. Moreover, the state of the art of carbon-based ECs is discussed from the viewpoint of the structure of the electrode and performance of ECs. Finally, this concept presents integrated perspectives on the further design and preparation of carbon related ECs.