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黑磷的纳米图案化加工和逐层减薄

二维材料的物理性质与层数密切相关，但精确调控二维材料的层数依旧是个很大的挑战。在本项工作中，我们发现了烯烃催化氧化二维材料黑磷的特性，并将其用于黑磷的纳米图案化加工和逐层减薄。首先，我们发现烯烃分子中的碳碳双键可使溶解氧的电子亲和力增强，促使黑磷表层在1分钟内快速完成氧化，相较自然氧化过程反应时间缩短了99%，表明烯烃分子对黑磷的氧化具有卓越的催化作用。由于生成的氧化层与黑磷基体的结合力弱，在较低的探针划刻载荷下，氧化层即可被去除。由于反应只发生在黑磷表层，单次划刻仅去除一层，因此该方法可精确实现黑磷的单层去除。通过在烯烃环境中操控探针的划刻路径和划刻次数，可以在黑磷表面定制化地加工出不同深度、不同形状的复杂纳米图案。此外，该方法还可以通过逐层减薄的方式，在各种衬底上加工出任意层数的薄层黑磷纳米片，从而制备出高性能的黑磷纳米器件。利用该方法对黑磷纳米片进行减薄，制备了具有增强电流调制能力的黑磷场效应晶体管，开关比提升两个数量级。最后，该方法还可以拓展至加工图案化的黑磷/石墨烯或黑磷/六方氮化硼异质结，或减薄其他与黑磷类似的易氧化二维材料。本研究提出了一种对黑磷这类易氧化二维材料进行逐层减薄从而调控厚度的方法，可用于高性能二维材料纳米器件的设计。