Nature Materials.:高质量窄黑磷纳米带最新制备策略

黑磷（BP）因其可调带隙和优异的电学、光学性质，被视为下一代电子器件（如场效应晶体管）的理想构建材料。为实现逻辑应用所需的带隙（通常大于0.5 eV），理论上需要将二维BP厚度控制在五层以内，然而制备少层、大面积的二维BP仍极具挑战性。一维窄黑磷纳米带（BPNRs）因其量子限域和边缘效应可呈现更大且可调的带隙，成为替代方案。BPNRs的带宽、厚度、边缘状态及外部刺激（如应变、电场、磁场）共同决定了其独特的能带结构和优异的电学、光学与热学性能。许多窄BPNRs的性能甚至优于二维BP。然而，目前仍缺乏高效制备具有平滑边缘和明确取向的高质量窄BPNRs的方法。以往方法如透射电镜纳米切割、电子束光刻与等离子刻蚀、化学气相传输、锂插层剥离等，均存在产率低、边缘粗糙、引入污染或工艺复杂等问题。因此，开发一种可高产率制备高质量、窄宽度、无氧化、清洁BPNRs的策略具有重要意义。

针对以上难题，上海交通大学陈长鑫教授课题组报道了一种通过声化学剥离法高效制备高质量、窄宽度、清洁黑磷纳米带的策略。该方法以沿扶手椅方向具有略微扩大晶格参数的块体黑磷晶体为原料，在优化超声条件下成功实现了产率高达约95%的BPNRs制备。所得纳米带宽度集中分布于32 nm，最小可达1.5 nm，边缘近乎原子级平滑，且边缘取向明确，宽度小于340 nm的BPNRs均呈现锯齿形边缘。研究发现，BPNR的带隙随宽度减小而增大，从83 nm时的带隙值逐渐上升至13 nm时的0.64 eV。基于13 nm宽、10 nm厚的BPNR制备的石墨烯接触场效应晶体管（FET）表现出优异的电学性能：开关比（Iₒₙ/Iₒff）达1.7×10⁶，迁移率为1,506 cm²V⁻¹s⁻¹，导通态电导为1,845 μS。该器件同时还具备出色的光电探测性能。该研究为制备具有高质量、明确边缘手性的BPNRs提供了可行路径，为其在电子与光电子领域的基础研究与实际应用奠定了基础。

相关研究成果以“High-quality narrow black phosphorus nanoribbons with nearly atomically smooth edges and well-defined edge orientation”为题，发表在Nature Materials上。

该项研究通过声化学剥离法，以沿扶手椅方向具有预应变（略微扩大晶格参数）的块体黑磷晶体为原料，成功实现了高质量、窄宽度、清洁、边缘近乎原子级平滑且具有明确边缘手性的黑磷纳米带（BPNRs）的高产率制备。所得BPNRs宽度主要分布在32 nm左右，最小可达1.5 nm，优于以往报道的最小宽度。实验中发现宽度≤340 nm的BPNRs均具有锯齿形边缘，其形成归因于沿扶手椅方向的预应变及优化的超声条件。随着BPNR宽度从83 nm减小至13 nm，其带隙从0.28 eV增至0.64 eV。

基于13 nm宽、10 nm厚BPNR制备的金接触FET实现了1.2×10⁵的开关比、761 cm²V⁻¹s⁻¹的迁移率和1672 μS的电导；而采用石墨烯作为接触电极时，性能进一步提升，开关比达1.7×10⁶，迁移率为1,506 cm²V⁻¹s⁻¹，电导率为1845 μS，优于以往报道的基于BPNRs和二维黑磷的FETs。作为光电探测器，该器件在0.5 V偏压下实现了11.2 A W⁻¹的高响应度和1.1×10¹¹ cm Hz¹/² W⁻¹的比探测率。该研究为制备具有高质量、明确边缘结构的BPNRs提供了可靠方法，推动了其在电子与光电子器件中的基础与应用研究。

Zhang, T., Chen, Y., He, Z. et al. High-quality narrow black phosphorus nanoribbons with nearly atomically smooth edges and well-defined edge orientation. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02314-7

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