Ambient Protection of Few‐Layer Black Phosphorus via Sequestration of Reactive Oxygen Species

Abstract

Few-layer black phosphorous (BP) has emerged as a promising candidate for next-generation nanophotonic and nanoelectronic devices. However, rapid ambient degradation of mechanically exfoliated BP poses challenges in its practical deployment in scalable devices. To date, the strategies employed to protect BP have relied upon preventing its exposure to atmospheric conditions. Here, an approach that allows this sensitive material to remain stable without requiring its isolation from the ambient environment is reported. The method draws inspiration from the unique ability of biological systems to avoid photo-oxidative damage caused by reactive oxygen species. Since BP undergoes similar photo-oxidative degradation, imidazolium-based ionic liquids are employed as quenchers of these damaging species on the BP surface. This chemical sequestration strategy allows BP to remain stable for over 13 weeks, while retaining its key electronic characteristics. This study opens opportunities to practically implement BP and other environmentally sensitive 2D materials for electronic applications.

Air‐Stable Polyphosphazene‐Functionalized Few‐Layer Black Phosphorene for Flame Retardancy of Epoxy Resins

“…However, BP is exceedingly inclined to oxidation and degradation by ambient species (H 2 O/O 2 ) in the air. The oxidative products, phosphorus oxides (PO x ) may decompose into phosphoric acid after oxidation, which seriously deteriorates its physical and chemical properties …”

Degradation of black phosphorus is contingent on UV–blue light exposure

“…13 As such, several reports of BP degradation have surfaced recently and passivation procedures are now being explored to protect the material. [16][17][18][19][20][21][22][23] A knowledge gap exists in terms of (i) which part of the light spectrum degrades BP the most, and (ii) involvement of additional ROS in BP degradation, particularly in the case of thicker BP flakes. Here, we study the effect of discrete wavelengths ranging from ultraviolet (UV) to infrared and the mechanism behind the degradation of mechanically-exfoliated BP flakes of 20-30 nm thickness.…”

Gitteröffnung durch reduktive kovalente Volumen‐Funktionalisierung von schwarzem Phosphor

“…[1][2][3][4][5][6][7][8][9] Im Unterschied zu Graphen besteht BP aus gewellten Schichten, die ausschließlich aus einem 2D-s-System gebildet werden und in denen jedes P-Atom ein freies Elektronenpaar aufweist. [13][14][15][16][17] Abgesehen von diesen Ansätzen gilt die kovalente Funktionalisierung der Oberfläche als eines der vielversprechendsten Konzepte zur Modifizierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von 2D-Nanomaterialien. [10][11][12] Mittlerweile wurde eine erste Reihe von Vorschriften zur nicht-kovalenten Funktionalisierung verçffentlicht, die hauptsächlich darauf abzielen, die Instabilitätv on BP gegen Wasser und Sauerstoff zu verbessern.…”

“…Durche ffektive reduktive Aktivierung wurde die kovalente Funktionalisierung des geladenen BP mit Alkylhalogeniden erreicht. [13][14][15][16][17] Abgesehen von diesen Ansätzen gilt die kovalente Funktionalisierung der Oberfläche als eines der vielversprechendsten Konzepte zur Modifizierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von 2D-Nanomaterialien. [1][2][3][4][5][6][7][8][9] Im Unterschied zu Graphen besteht BP aus gewellten Schichten, die ausschließlich aus einem 2D-s-System gebildet werden und in denen jedes P-Atom ein freies Elektronenpaar aufweist.…”

“…[10][11][12] Mittlerweile wurde eine erste Reihe von Vorschriften zur nicht-kovalenten Funktionalisierung verçffentlicht, die hauptsächlich darauf abzielen, die Instabilitätv on BP gegen Wasser und Sauerstoff zu verbessern. [13][14][15][16][17] Abgesehen von diesen Ansätzen gilt die kovalente Funktionalisierung der Oberfläche als eines der vielversprechendsten Konzepte zur Modifizierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von 2D-Nanomaterialien. [18,19] In diesem Sinne wurden bisher nur wenige Arbeiten, wie die Funktionalisierung einzelner Flocken mit Diazoniumsalzen [20] oder die nasschemische Funktionalisierung von zuvor hergestellten Flocken mit Nukleophilen [21][22][23] sowie mit freien Kohlenstoffradikalen, [24] publiziert.…”