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硼烯的实验制备及其在传感器件方面的应用

陈士蕃, 刘毅, 刘相, 田潜, 台国安

化学进展, 2024, 36(8): 1119-1133. DOI: 10.7536/PC240122

2D Materials	Structural characteristics	Physical characteristics	Potential application	ref
Borophene	Structural diversity More stable after hydrogenation	Dirac cones Larger Young’s modulus Superconductivity	Energy storage Nanoscale gas sensor Biomedical applications	15
Silicene	Low buckled geometry	Dirac cones High Fermi velocity and carrier mobility Spin-orbit coupling Ambipolar Dirac charge transport	Field effect transistor Spintronic devices	16
Germanene	Low buckled geometry	Resistance to atmospheric oxidation	Energy storage and catalysis	17
Phosphorene	Vertically skewed/wrinkled honeycomb structure	Semiconductor with a predicted direct bandgap Layer dependent photoluminescence Superior mechanical flexibility	Phosphorene-based devices	18,19
Hexagonal boron nitride	Hexagonal structure	Electrical insulation Excellent thermal conductivity	Substrates and gate dielectrics for 2D electronics applications Super-capacitor	20
Transition metal dihalides	Containing triangular and honeycomb transition metal nets	High temperature paramagnetic behavior	Kitaev spin liquid	21

表1 新型二维材料的特点和应用^{[15⇓⇓⇓⇓⇓~21]}

本文的其它图/表

图1 γ-B₂₈硼烯的示意图及物理特性表征：（a）γ-B₂₈硼烯的制备与结构示意图；（b）AFM图像；（c）FFT图像；（d）紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱；（e）室温光致发光（PL）光谱^[61]
图2 Ag（111）衬底上生长硼烯：（a）制备硼烯的MBE装置示意图；（b）~（g）硼烯的STM图像（左）和闭环dI/dV图（右） ^[71]
图3 云母衬底上硼烯的晶体结构：（a）硼烯和云母的原子结构图；（b）α′-2H硼烯的结构；（c）硼烯的AFM图像；（d）硼烯的HRTEM图像；（e）硼烯的TEM图像。插图为相应的SAED图像^[80]
图4 在DMF（a, b）和IPA（c, d）中进行尖端超声处理4 h后，分别在5000 r/min下离心30 min，所制备的少层B纳米片的典型TEM图像。（a）、（c）和（d）的插图显示了所选区域相应的FFT模式^[81]
图5 原位热分解合成αʹ-4H-硼烯：（a）SEM图像；（b）扫描电镜测得的80张纳米片横向尺寸统计数据；（c）AFM图像；（d）低分辨率TEM图像；（e）HRTEM图像和相应的SAED图像；（f）对（e）中红色矩形区域提取的FFT模式进行重构后的HRTEM图像^[83]
图6 硼烯-石墨烯异质结构的形貌和结晶度：（a~c）少层石墨烯、硼烯和硼烯-石墨烯异质结构的SEM图像；（d）典型异质结构的低分辨率TEM图像；（e）硼烯的低分辨率TEM图像；（f）从（e）中绿色矩形区域提取的HRTEM图像。插图为从计算模型中提取的相应SAED图像和HRTEM图；（g~i）异质结构的STEM-HAADF-EDS元素映射^[85]
图7 （a~e）硼烯表面气体吸附（CO、NO、CO₂、NO₂、NH₃）的电荷密度差图。红色表面表示电子获得，蓝色表面表示电子损失；（f）零偏压传输原始硼烯和硼烯+气体系统；（g）硼烯单层随不同吸附气体分子变化的I-V特性曲线^[86]
图8 硼烯气体传感器：（a）不同NO₂浓度下的响应；（b）低NO₂浓度时的响应^[92]
表2 典型二维材料气体传感器的性能对比^{[87⇓⇓⇓⇓~92]}
图9 硼烯压力传感器：（a）硼烯压力传感器的制造流程图；（b）静态压力下器件的响应；（c）传感器的灵敏度^[93]
图10 硼烯-石墨烯异质结构湿度传感器：（a）基于硼烯-石墨烯异质结的传感器示意图；（b）不同相对湿度下异质结构传感器的湿度传感行为；（c）暴露于不同相对湿度下的异质结构传感器的灵敏度；（d）异质结构传感器在85% RH下的响应和恢复曲线；（e）PET衬底上弯曲异质结构传感器的示意图；（f）无弯曲应变和有弯曲应变时传感器的响应曲线^[85]
图11 硼烯-BC₂N异质结构湿度传感器：（a）不同相对湿度下传感器的实时响应；（b）不同相对湿度下的长效响应；（c）指尖接近不同距离时传感器的实时电流曲线^[97]
表3 典型二维材料电阻式湿度传感器的性能对比^{[85,97⇓⇓⇓~101]}
图12 硼烯领域的研究展望

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