深圳市二维材料孔雀团队
【Chemical Reviews】单元素二维材料及其异质结的化学、功能化和应用

      在过去的几十年里,二维单元素材料 (Xenes) 的研究迅速扩展,这些材料在各个领域应用前景广阔,包括在光电器件、生物医学、催化和能量存储中的应用。除了石墨烯和磷烯之外,最近出现的二维Xenes,特别是石墨炔、硼烯、砷烯、锑烯、铋烯和碲烯,由于其独特的光学、电学和催化性能赋予它们更广泛的应用而引起了相当大的兴趣。


       深圳大学张晗教授,美国纽约州立大学的Paras N. Prasad教授和深圳市第二人民医院聂国辉教授近期受邀在《Chemical Reviews》上发表综述“Chemistry,Functionalization, and Applications of Recent Monoelemental Two-DimensionalMaterials and Their Heterostructures,基于理论和实验结果总结了这些新兴Xenes的结构和性质,介绍了它们的制备方法,还展示了表面改性策略。该综述还进一步讨论了这些新兴的单元素材料及其异质结在非线性光学器件、光电子学、催化、生物医学和能源方面的广泛应用。《Chemical Reviews》是国际化学化工领域影响力最高的学术期刊之一,为美国化学会最权威的综述性期刊,2021年公布的2020年影响因子为60.622。


         该文章还专门强调了这些新兴的Xenes材料在生物医学领域的应用。Xenes由单一元素构成,容易合成制备。而且具有良好的生物降解特性,不会引起生物体内长期的聚集毒性。而且Xenes材料表面容易被修饰和装载其他的药物分子。同时这些单质烯本身就可以作为药物,在物理刺激下进行治疗作用,比如光疗和超声治疗。有些可以作为放疗增敏剂,比如锑烯和铋烯。



 

       与石墨烯相比,硼烯更坚固、更轻、更柔软,最近引起了越来越多的关注。由于其多态性和各向异性结构,它具有独特的性质,例如强电子-声子耦合和光学透明性。由于化学活性边缘效应,硼烯纳米片的氧化发生在它的边缘。相反,具有完整晶格的区域即使暴露在高氧浓度下也几乎保持未氧化。此外,据预测,金属基材上的硼烯可以催化析氢反应。这种化学性质在二维材料中是独一无二的,可通过与不同化学物质的反应来实现不同的功能。二维硼硒比其块体形式具有更高的能量,这与其他已知的二维材料显着不同。因此,将硼原子组装成亚稳态二维层状结构是一个挑战。直到 2015 年,才首次在超高真空下合成了硼烯。硼硒可以在Ag, Cu, Al等金属基板上合成。基于二维硼硒及其异质结的光电探测器,场效应管晶体管,生物传感器,气体传感器,电池具有优异的性能。基于二维硼硒的载药平台具有很高的生物安全性,能够实现多模态成像和光热治疗疾病的功能。



        石墨炔是一种新兴的二维碳材料,它包含sp-sp2碳原子,由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构。这种独特的结构赋予了石墨炔高度的π共轭结构、均匀分布的平面内腔和不均匀的表面电荷分布。石墨炔具有直接带隙,是天然的半导体。它具有许多优于传统碳材料的独特性能,受到越来越多的关注。它显示出优异的电子、光学和机械性能,在光电设备,催化和储能应用中具有广阔的潜力。


 

      碲具有0.35 eV的小带隙,具有多相和比过渡金属二硫化物更高的载流子迁移率,良好的稳定性。它具有独特的特性,例如宽的吸收能带和高效的光热转换,能够用于癌症的光热治疗。碲的链状结构使其更倾向于形成一维架构。二维碲烯纳米片可以在表面是化学惰性的云母上生长或者通过液相剥离法得到。碲烯的研究工作显示其在拓扑绝缘体、热电、半导体、电子、光电和生物医学领域的广泛应用。碲烯电子能带结构与厚度相关,使其成为中红外和太赫兹光谱范围内许多新兴应用的有希望的候选者。



       来自V族元素的磷烯,具有良好的生物相容性,生物降解性和生物光子特性。与黑磷在同一主族的的砷、锑和铋和黑磷类似,各自都可以形成具有褶皱片层形状的单元素烯类二维材料。理论计算和实验数据都证明了三种单元素二维材料具有较黑磷更高的稳定性,且具有宽带隙,高载流子迁移率,尺寸相关的导热性能、半导体-导体转换能力、直接-间接带隙转换能力等。三类二维材料均可通过机械和液相剥离得到。可以通过高分子装载、表面修饰、杂原子掺杂和构筑范德华异质结等方法来赋予这些材料更优异的催化能力、光电效应、稳定性和生物相容性,将其应用于催化、能源转换、光电器件、气体传感、生物传感、肿瘤诊断和治疗等领域,具有广阔的前景。



【文章链接】

Chemistry,Functionalization, and Applications of Recent Monoelemental Two-DimensionalMaterials and Their Heterostructures

Zhongjian Xie, BinZhang, Yanqi Ge, Yao Zhu, Guohui Nie#, YuFeng Song, Chang-Keun Lim, Han Zhang*,and Paras N. Prasad*

Chemical Reviews, 2021-11-15 

DOI:10.1021/acs.chemrev.1c00165