新型二维硼氢和硼氧范德瓦尔斯层状材料的生长调控及其光电特性研究

Being a typical van der Waals layered materials, borophene has high mobility, large Young’s modulus, high transparency and ultra-high Fermi velocity close to graphene, which has attracted much interest in recent years. But due to many dangling bonds existing in the surface of borophene, it is usually oxidized or capture other gas molecules in air as well as its structure configuration is easy to change after it is peeled off the substrate, which limits its further applications. By surface functionalization, borophene can form two-dimensional borophane or boron oxide layered materials, which can ensure they are energetically favorable in air and endorse them unique negative Poisson’s ratio and ferroelastic properties. Moreover, the two-dimensional borophane or boron oxide layered structures can turn from metal into Dirac semimetal or semiconductors, which has been the important research goal for borophene. But because of the growth conditions of two-dimensional borophane or boron oxide layered structuress are very critical and high surface energy than three-dimensional structures on substrate, the report on their experimental fabrication method and optoelectronic properties are few to our knowledge until now. In this project, we will focus on the controlled synthesis technique and optoelectronic properties of two-dimensional borophane or boron oxide layered materials. Moreover, we will explore their structure configuration and energy structure (Fermi level, bandgap, and so on). At last, we will modulate their optoelectronic properties by controlling the stoichiometric ratio (B:H or B:O) of these two-dimensional layered materials, which is beneficial to judge their development direction in nanoscale optoelectronic applications.

作为一种典型的二维范德瓦尔斯层状材料，硼烯具有高电子迁移率和杨氏模量、高透光率和与石墨烯相近的高费米速度等特性吸引了人们的广泛关注。但是硼烯表面具有很多的悬挂键，因此存在空气中易氧化或吸附其他气体原子以及脱离衬底后易出现结构相变等缺点。对其表面改性形成二维硼氢或硼氧层状材料，不仅能够使其在空气中稳定存在并拥有负泊松比和铁弹性等优点，而且通过控制其化学计量比还能调控其从金属转变为狄拉克半金属或半导体结构，因此成为其重要发展方向。但是由于这两种结构的生长窗口较窄以及其在衬底上的表面结合能较高等原因，其制备工艺和物性的相关实验研究一直未能开展。因此，本项目中申报人将围绕二维硼氢和硼氧范德瓦尔斯层状材料的生长调控及光电特性开展研究，探索其可控制备工艺，分析确定其表面构型和能带结构(EF和带隙等)，并通过调整化学计量比(B:H或B:O)实现对其光电特性的有效调控，最终判定其在光电纳米器件的应用方向。

作为一种典型的二维范德瓦尔斯层状材料，硼烯具有高电子迁移率和杨氏模量、高透光率和与石墨烯相近的高费米速度等特性吸引了人们的广泛关注。但是硼烯表面具有很多的悬挂键，因此存在空气中易氧化或吸附其他气体原子以及脱离衬底后易出现结构相变等缺点。对其表面改性形成二维硼氢或硼氧层状材料，不仅能够使其在空气中稳定存在并拥有负泊松比和铁弹性等优点，而且通过控制其化学计量比还能调控其从金属转变为狄拉克半金属或半导体结构，因此成为其重要发展方向。但是由于这两种结构的生长窗口较窄以及其在衬底上的表面结合能较高等原因，其制备工艺和物性的相关实验研究一直未能开展。本项目中，申请人围绕二维硼氢和硼氧范德瓦尔斯层状材料的生长调控及光电特性开展研究，不仅发展了二维硼烯纳米结构的规模化mg级制备工艺，而且还成功开发出二维硼氢和硼氧层状纳米结构的可控制备工艺。所制备出的二维硼氧纳米片的平均厚度约为4 nm，平均平面尺寸为5 μm，表面呈现平面蜂窝状h-B2O构型，且硼烯的氧化比例可在20 ~ 70%区间有效调控；而二维氢化硼烯的平均平面尺寸为2 μm ，平均层数约为6层，为Pmmn相结构。同时申请人还围绕硼烯的光学、电学等特性和表面构型开展了系统研究，发现其具有优良的光敏特性（整流比为10000-100000，开关时间为15-25 ms）和电化学特性（比电容量为1329 mAh/g，每次循环容量衰减率仅为0.033%，8 C下的充放电速率达到721 mAh/g）。此外，申请人还探索出二维硼氢或硼氧纳米结构的生长机制以及本征物理机制，最终实现对其光电特性的有效调控，顺利完成了项目目标。此项研究将为规模化制备二维硼氢和硼氧纳米材料并推动它们在光电领域的实际应用提供可靠的实验方法，同时为探索其他新型二维范德瓦尔斯层状材料的生长路线和本征光电特性提供一定的技术借鉴。