Elektrochemisches Exfoliation zur Herstellung von hochwertigem schwarzem Phosphor

Zusammenfassung

Wir stellen ein Schritt-für-Schritt-Verfahren zur elektrochemischen Exfoliation von schwarzem Phosphor (BP), einem der vielversprechendsten aufstrebenden 2D-Materialien mit Anwendungen in der (Opto-)Elektronik, aus seinen Volumenkristallen sowie die morphologische Charakterisierung durch Rasterelektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie vor.

Zusammenfassung

Um aus den voluminösen Kristallen hochwertige zweidimensionale (2D) Materialien zu erhalten, ist die Delamination unter einem extern gesteuerten Stimulus entscheidend. Das elektrochemische Exfoliieren von Schichtmaterialien erfordert eine einfache Instrumentierung und bietet dennoch hochwertige exfolierte 2D-Materialien mit hohen Ausbeuten und einer unkomplizierten Skalierbarkeit. Damit stellt sie eine Schlüsseltechnologie dar, um Grundlagenforschung und industrielle Anwendungen voranzutreiben. Darüber hinaus ermöglicht die Verarbeitbarkeit funktionalisierter 2D-Materialien die Herstellung von (opto)elektronischen und energetischen Bauelementen über verschiedene Drucktechnologien wie Inkjet-Druck und 3D-Druck. In dieser Arbeit wird das elektrochemische Exfoliationsprotokoll für die Synthese von schwarzem Phosphor (BP), einem der vielversprechendsten aufstrebenden 2D-Materialien, aus seinen Volumenkristallen Schritt für Schritt vorgestellt, nämlich die kathodische elektrochemische Exfoliation von BP in Gegenwart von N(C₄H₉)₄∙HSO₄ in Propylencarbonat, die Dispersionsvorbereitung durch Ultraschall und die anschließende Zentrifugation zur Trennung von Flocken, und morphologische Charakterisierung durch Rasterelektronenmikroskopie (REM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).

Einleitung

Aufgrund ihrer überlegenen mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften im Vergleich zu ihren geschichteten Bulk-Analoga haben 2D-Materialien in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt. Als Vorgänger und seit mehreren Jahrzehnten das am meisten untersuchte aller 2D-Materialien steht Graphen immer noch im Rampenlicht bahnbrechender Entdeckungen wie Membranen¹, Sensoren², Katalysatoren³, Energietechnologien⁴, topologische spintronische Bauelemente⁵ und Physik der kondensierten Materie<....

Protokoll

HINWEIS: In der Materialtabelle finden Sie Einzelheiten zu den in diesem Protokoll verwendeten Materialien und Geräten.

1. Synthese von schwarzem Phosphor (BP) durch elektrochemisches Peeling

1. Hacken Sie die großen Stücke des BP-Kristalls in kleine Stücke von ~1-2 mm (≤5 mg) und schließen Sie sie in eine Platingaze ein, die als Kathode dient.
2. Schneiden Sie ein Stück Platinfolie mit den Maßen ~2 cm² als Anode ab und befestigen Sie es so, dass es zur Kathode zeigt und 2 cm von ihr entfernt ist.
3. Zur Herstellung des Elektrolyten bereite....

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die elektrochemische Exfoliation von BP-Kristallen, den Mechanismus der Interkalation von TBA· HSO₄ und die anschließende Delamination sowie der Aufbau der Reaktionszelle.

Abbildung 1: Schematische Demonstration des Mechanismus der elektrochemischen Exfoliation von schwar.......

Diskussion

BP hat eine Valenzschalenkonfiguration von 3s² 3p³, und jedes Phosphoratom besitzt ein einzelnes Elektronenpaar, was die Phosphoratome anfällig für einen schnellen oxidativen Abbau in Gegenwart von Sauerstoff, Wasser und Licht macht⁴¹. Um eine Degradation zu verhindern, wird empfohlen, entgaste und wasserfreie Lösungsmittel und Reagenzien zu verwenden und den Produktionsprozess unter inerter Atmosphäre durchzuführen.

Während des Exfoliierens von BP.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
2-Propanol	Sigma Aldrich	278475	wasserfrei, 99,5%
Rasterkraftmikroskopie (AFM)	Bruker Multimode 8 System
Schwarzer Phosphor	Smart Elements	4504	Schwarzer Phosphor 5,0 g unter Argon in Ampulle versiegelt
Zentrifuge	Sigma 4-16KS
Propylencarbonat	Sigma Aldrich	310328	wasserfrei, 99,7 %
Rasterelektronenmikroskop (REM)	Zeiss Gemini 500
Tetra-n-Butylammoniumhydrogensulfat	Sigma Aldrich	791784	wasserfrei, rieselfähig, Redi-Dri, 97%
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)	Zeiss Libra 120 kV