Band Gap Engineering in a 2D Material for Solar-to-Chemical Energy Conversion

Nano Letters

Volumn 16, Issue 1, 2016, Pages 74-79

  Hu, Jun ^a   Guo, Zhenkun ^a   McWilliams, Peter E ^a   Darges, John E ^a   Druffel, Daniel L ^a   Moran, Andrew M ^a   Warren, Scott C ^a  

^a The University of North Carolina at Chapel Hill   (United States)

Author keywords

black phosphorus; Phosphorene; photocatalysis; quantum confinement; solar energy; two dimensional material

Indexed keywords

CATALYSIS; ELECTRONIC STRUCTURE; ENERGY GAP; EXCITED STATES; PHOSPHORUS; PHOTOCATALYSIS; QUANTUM CONFINEMENT; SOLAR ENERGY; VAN DER WAALS FORCES;

BAND GAP ENGINEERING; CHEMICAL EQUATIONS; CHEMICAL INTERMEDIATES; CHEMICAL PRODUCTS; ELECTRON TRANSFER; EXCITED STATE LIFETIMES; PHOSPHORENE; TWO-DIMENSIONAL MATERIALS;

ENERGY CONVERSION;

EID: 84957591489     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02895     Document Type: Article

References (70)

1. Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006, 103, 15729 10.1073/pnas.0603395103
2. Schneider, J.; Matsuoka, M.; Takeuchi, M.; Zhang, J.; Horiuchi, Y.; Anpo, M.; Bahnemann, D. W. Chem. Rev. 2014, 114, 9919 10.1021/cr5001892
3. Fox, M. A.; Fox, M. A.; Dulay, M. T.; Dulay, M. T. Chem. Rev. 1993, 93, 341 10.1021/cr00017a016
4. Warren, S. C.; Voïtchovsky, K.; Dotan, H.; Leroy, C. M.; Cornuz, M.; Stellacci, F.; Hébert, C.; Rothschild, A.; Grätzel, M. Nat. Mater. 2013, 12, 842 10.1038/nmat3684
5. Dotan, H.; Kfir, O.; Sharlin, E.; Blank, O.; Gross, M.; Dumchin, I.; Ankonina, G.; Rothschild, A. Nat. Mater. 2013, 12, 158 10.1038/nmat3477
6. Thomann, I.; Pinaud, B. A.; Chen, Z.; Clemens, B. M.; Jaramillo, T. F.; Brongersma, M. L. Nano Lett. 2011, 11, 3440 10.1021/nl201908s
7. Wilcoxon, J. P. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 7334 10.1021/jp0012653
8. Thurston, T. R.; Wilcoxon, J. P. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 11 10.1021/jp982337h
9. Chen, H. M.; Chen, C. K.; Liu, R.-S.; Zhang, L.; Zhang, J.; Wilkinson, D. P. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 5654 10.1039/c2cs35019j
10. Vayssieres, L.; Sathe, C.; Butorin, S. M.; Shuh, D. K.; Nordgren, J.; Guo, J. Adv. Mater. 2005, 17, 2320 10.1002/adma.200500992
11. Xia, Y.; Yang, P.; Sun, Y.; Wu, Y.; Mayers, B. Adv. Mater. 2003, 15, 353 10.1002/adma.200390087
12. Fojtik, a; Weller, H.; Koch, U.; Henglein, a. Berichte der Bunsengesellschaft fur Phys. Chemie 1984, 88, 969 10.1002/bbpc.19840881010
13. Rossetti, R.; Ellison, J. L.; Gibson, J. M.; Brus, L. E. J. Chem. Phys. 1984, 80, 4464 10.1063/1.447228
14. Sun, W.-T.; Yu, Y.; Pan, H.-Y.; Gao, X.-F.; Chen, Q.; Peng, L.-M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1124 10.1021/ja0777741
15. Bolton, J. R.; Strickler, S. J.; Connolly, J. S. Nature 1985, 316, 495 10.1038/316495a0
16. Walter, M. G.; Warren, E. L.; McKone, J. R.; Boettcher, S. W.; Mi, Q.; Santori, E. A.; Lewis, N. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6446 10.1021/cr1002326
17. Niu, P.; Zhang, L.; Liu, G.; Cheng, H. M. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4763 10.1002/adfm.201200922
18. Schwinghammer, K.; Mesch, M. B.; Duppel, V.; Ziegler, C.; Senker, J.; Lotsch, B. V. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1730 10.1021/ja411321s
19. Wang, X.; Maeda, K.; Thomas, A.; Takanabe, K.; Xin, G.; Carlsson, J. M.; Domen, K.; Antonietti, M. Nat. Mater. 2009, 8, 76 10.1038/nmat2317
20. Jaramillo, T. F.; Jørgensen, K. P.; Bonde, J.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I. Science 2007, 317, 100 10.1126/science.1141483
21. Karunadasa, H. I.; Montalvo, E.; Sun, Y.; Majda, M.; Long, J. R.; Chang, C. J. Science 2012, 335, 698 10.1126/science.1215868
22. Kibsgaard, J.; Chen, Z.; Reinecke, B. N.; Jaramillo, T. F. Nat. Mater. 2012, 11, 963 10.1038/nmat3439
23. Chen, Z.; Forman, A. J.; Jaramillo, T. F. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 9713 10.1021/jp311375k
24. Bridgman, P. W. J. Am. Chem. Soc. 1914, 36, 1344 10.1021/ja02184a002
25. Li, L.; Yu, Y.; Ye, G. J.; Ge, Q.; Ou, X.; Wu, H.; Feng, D.; Chen, X. H.; Zhang, Y. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 372 10.1038/nnano.2014.35
26. Liu, H.; Neal, A. T.; Zhu, Z.; Luo, Z.; Xu, X.; Tománek, D.; Ye, P. D. ACS Nano 2014, 8, 4033 10.1021/nn501226z
27. Ling, X.; Wang, H.; Huang, S.; Xia, F.; Dresselhaus, M. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2015, 112, 4523 10.1073/pnas.1416581112
28. Liu, H.; Du, Y.; Deng, Y.; Ye, P. D. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 2732 10.1039/C4CS00257A
29. Zhang, S.; Yang, J.; Xu, R.; Wang, F.; Li, W.; Ghufran, M.; Zhang, Y.-W.; Yu, Z.; Zhang, G.; Qin, Q.; Lu, Y. ACS Nano 2014, 8, 9590 10.1021/nn503893j
30. Liang, L.; Wang, J.; Lin, W.; Sumpter, B. G.; Meunier, V.; Pan, M. Nano Lett. 2014, 14, 6400 10.1021/nl502892t
31. Akahama, Y.; Endo, S.; Narita, S. J. Phys. Soc. Jpn. 1983, 52, 2148 10.1143/JPSJ.52.2148
32. Cai, Y.; Zhang, G.; Zhang, Y.-W. Sci. Rep. 2014, 4, 6677 10.1038/srep06677
33. Takao, Y.; Asahina, H.; Morita, A. J. Phys. Soc. Jpn. 1981, 50, 3362 10.1143/JPSJ.50.3362
34. Tran, V.; Soklaski, R.; Liang, Y.; Yang, L. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2014, 89, 235319 10.1103/PhysRevB.89.235319
35. Sa, B.; Li, Y.; Qi, J.; Ahuja, P. R.; Sun, Z. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 26560 10.1021/jp508618t
36. He, J.; He, D.; Wang, Y.; Cui, Q.; Bellus, M. Z.; Chiu, H.-Y.; Zhao, H. ACS Nano 2015, 9, 6436 10.1021/acsnano.5b02104
37. Ge, S.; Li, C.; Zhang, Z.; Zhang, C.; Zhang, Y.; Qiu, J.; Wang, Q.; Liu, J.; Jia, S.; Feng, J.; Sun, D. Nano Lett. 2015, 15, 4650 10.1021/acs.nanolett.5b01409
38. Woomer, A. H.; Farnsworth, T. W.; Hu, J.; Wells, R. A.; Donley, C. L.; Warren, S. C. ACS Nano 2015, 9, 8869 10.1021/acsnano.5b02599
39. Dean, C. R.; Young, a F.; Meric, I.; Lee, C.; Wang, L.; Sorgenfrei, S.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Kim, P.; Shepard, K. L.; Hone, J. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 722 10.1038/nnano.2010.172
40. Scharber, M. C.; Mühlbacher, D.; Koppe, M.; Denk, P.; Waldauf, C.; Heeger, A. J.; Brabec, C. J. Adv. Mater. 2006, 18, 789 10.1002/adma.200501717
41. Rodin, A. S.; Carvalho, A.; Castro Neto, A. H. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2014, 90, 75429 10.1103/PhysRevB.90.075429
42. Castellanos-Gomez, A.; Vicarelli, L.; Prada, E.; Island, J. O.; Narasimha-Acharya, K. L.; Blanter, S. I.; Groenendijk, D. J.; Buscema, M.; Steele, G. a.; Alvarez, J. V.; Zandbergen, H. W.; Palacios, J. J.; van der Zant, H. S. J. 2D Mater. 2014, 1, 025001 10.1088/2053-1583/1/2/025001
43. Shulenburger, L.; Baczewski, A. D.; Zhu, Z.; Guan, J.; Tománek, D. Nano Lett. 2015, 15, 8170 10.1021/acs.nanolett.5b03615
44. Warren, S. C.; Woomer, A. H.; Wells, R. A.; Farnsworth, T. W. Two dimensional materials produced by the liquid exfoliation of black phosphorus. 62/031,184, 2014.
45. Koelle, U.; Laguna, a. Inorg. Chim. Acta 1999, 290, 44 10.1016/S0020-1693(99)00112-7
46. Zheng, N.; Fan, J.; Stucky, G. D. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 6550 10.1021/ja0604717
47. Wei, Y.; Han, S.; Walker, D. A.; Warren, S. C.; Grzybowski, B. A. Chem. Sci. 2012, 3, 1090 10.1039/c2sc00673a
48. Newman, J. D. S.; Blanchard, G. J. Langmuir 2006, 22, 5882 10.1021/la060045z
49. Edmonds, M. T.; Tadich, A.; Carvalho, A.; Ziletti, A.; O'Donnell, K. M.; Koenig, S. P.; Coker, D. F.; Özyilmaz, B.; Neto, a. H. C.; Fuhrer, M. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 14557 10.1021/acsami.5b01297
50. Zhu, W.; Yogeesh, M. N.; Yang, S.; Aldave, S. H.; Kim, J.-S.; Sonde, S.; Tao, L.; Lu, N.; Akinwande, D. Nano Lett. 2015, 15, 1883 10.1021/nl5047329
51. Favron, A.; Gaufrès, E.; Fossard, F.; Phaneuf-L'Heureux, A.-L.; Tang, N. Y.-W.; Lévesque, P. L.; Loiseau, A.; Leonelli, R.; Francoeur, S.; Martel, R. Nat. Mater. 2015, 14, 826 10.1038/nmat4299
52. Koenig, S. P.; Doganov, R. A.; Schmidt, H.; Castro Neto, A. H.; Özyilmaz, B. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 103106 10.1063/1.4868132
53. Wood, J. D.; Wells, S. A.; Jariwala, D.; Chen, K.-S.; Cho, E.; Sangwan, V. K.; Liu, X.; Lauhon, L. J.; Marks, T. J.; Hersam, M. C. Nano Lett. 2014, 14, 6964 10.1021/nl5032293
54. Yoon, B.; Luedtke, W. D.; Gao, J.; Landman, U. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 5882 10.1021/jp034415t
55. Jensen, P.; Blase, X. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2004, 70, 165402 10.1103/PhysRevB.70.165402
56. Subramanian, V.; Wolf, E.; Kamat, P. V. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 11439 10.1021/jp011118k
57. Warren, S. C.; Thimsen, E. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 5133 10.1039/C1EE02875H
58. Sze, S. M.; Ng, K. K. Physics of Semiconductor Devices; John Wiley & Sons, Inc., 2007.
59. Hanlon, D.; Backes, C.; Doherty, E.; Cucinotta, C. S.; Berner, N. C.; Boland, C.; Lee, K.; Lynch, P.; Gholamvand, Z.; Harvey, A.; Zhang, S.; Wang, K.; Moynihan, G.; Pokle, A.; Ramasse, Q. M.; McEvoy, N.; Blau, W. J.; Wang, J.; Sanvito, S.; O'Regan, D. D.; Duesberg, G. S.; Valeria Nicolosi, V.; Coleman, J. N. Nat. Commun. 2015, 6, 8563 10.1038/ncomms9563
60. Kang, J.; Wood, J. D.; Wells, S. A.; Lee, J.-H.; Liu, X.; Chen, K.-S.; Hersam, M. C. ACS Nano 2015, 9, 3596 10.1021/acsnano.5b01143
61. Zhang, R.; Li, B.; Yang, J. arXiv:1409.7190, 2014.
62. Hu, T.; Hong, J. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 8199 10.1021/acs.jpcc.5b01300
63. Kulish, V. V.; Malyi, O. I.; Persson, C.; Wu, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 992 10.1039/C4CP03890H
64. Kou, L.; Frauenheim, T.; Chen, C. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2675 10.1021/jz501188k
65. Abbas, A. N.; Liu, B.; Chen, L.; Ma, Y.; Cong, S.; Aroonyadet, N.; Ko, M. ACS Nano 2015, 9, 5618 10.1021/acsnano.5b01961
66. Pearson, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 3533 10.1021/ja00905a001
67. Parr, R. G.; Pearson, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 7512 10.1021/ja00364a005
68. Zhitomirsky, D.; Voznyy, O.; Levina, L.; Hoogland, S.; Kemp, K. W.; Ip, A. H.; Thon, S. M.; Sargent, E. H. Nat. Commun. 2014, 5, 3803 10.1038/ncomms4803
69. Lewerenz, H. J.; Heller, A.; DiSalvo, F. J. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 1877 10.1021/ja00526a019
70. Bansal, A.; Lewis, N. S. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 1067 10.1021/jp973118j