Vidundermateriale-individuelle 2-D phosphorene nanoribbons fremstillet for første gang

Lille bitte, individuel, fleksible bånd af krystallinsk fosfor er blevet lavet af UCL -forskere i en verdens første, og de kunne revolutionere elektronik og hurtigopladende batteriteknologi.

Siden isoleringen af ​​2-dimensionel phosphoren, som er fosforækvivalenten af ​​grafen, i 2014, mere end 100 teoretiske undersøgelser har forudsagt, at nye og spændende egenskaber kan dukke op ved at producere smalle 'bånd' af dette materiale. Disse ejendomme kan være ekstremt værdifulde for en række industrier.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Natur , forskere fra UCL, universitetet i Bristol, Virginia Commonwealth and University og École Polytechnique Fédérale de Lausanne, beskrive, hvordan de dannede mængder af fosforbånd af høj kvalitet fra krystaller af sort fosfor og lithiumioner.

"Det er første gang, at individuelle phosphoren-nanoribbons er blevet fremstillet. Spændende egenskaber er blevet forudsagt, og applikationer, hvor phosphoren-nanoribbons kunne spille en transformerende rolle, er meget vidtrækkende, "sagde studieforfatter, Dr. Chris Howard (UCL Physics &Astronomy).

Båndene dannes med en typisk højde på et atomlag, bredder på 4-50 nm og er op til 75 μm lange. Dette formatforhold er sammenligneligt med kablerne, der spænder over Golden Gate -broens to tårne.

"Ved at bruge avancerede billeddannelsesmetoder, vi har karakteriseret båndene i detaljer og fundet ud af, at de er ekstremt flade, krystallinsk og usædvanligt fleksibel. De fleste er kun et enkelt lag af atomer tykke, men hvor båndet er dannet af mere end et lag phosphoren, vi har fundet sømløse trin mellem 1-2-3-4 lag, hvor båndet deler sig. Dette er ikke set før, og hvert lag skal have forskellige elektroniske egenskaber, "forklarede første forfatter, Mitch Watts (UCL Physics &Astronomy).

Mens nanoribbons er blevet fremstillet af flere materialer såsom grafen, phosphoren -nanoribbons produceret her har et større breddeområde, højder, længder og størrelsesforhold. I øvrigt, de kan produceres i stor skala i en væske, der derefter kan bruges til at anvende dem i volumen til lave omkostninger til applikationer.

Teamet siger, at de forudsagte anvendelsesområder omfatter batterier, solceller, termoelektriske anordninger til konvertering af spildvarme til elektricitet, fotokatalyse, nanoelektronik og i kvantecomputing. Hvad mere er, fremkomsten af ​​eksotiske effekter, herunder ny magnetisme, spindensitetsbølger og topologiske tilstande er også blevet forudsagt.

Nanoribbons dannes ved at blande sort fosfor med lithiumioner opløst i flydende ammoniak ved -50 grader C. Efter 24 timer, ammoniakken fjernes og erstattes med et organisk opløsningsmiddel, som danner en opløsning af nanoribbons af blandede størrelser.

"Vi forsøgte at lave fosforplader, så vi var meget overraskede over at opdage, at vi havde lavet bånd. For at nanoribbons skulle have veldefinerede egenskaber, deres bredder skal være ensartede i hele deres længde, og vi fandt ud af, at dette var præcis tilfældet for vores bånd, "sagde Dr. Howard.

"Samtidig med at opdage båndene, vores egne værktøjer til karakterisering af deres morfologier udviklede sig hurtigt. Det højhastighedsmæssige atomkraftmikroskop, som vi byggede ved University of Bristol, har de unikke muligheder for at kortlægge båndets nanoskalaegenskaber over deres makroskopiske længder, "forklarede medforfatter Dr. Loren Picco (VCU Physics).

"Vi kunne også vurdere længden, bredder og tykkelser produceret i detaljer ved at afbilde mange hundrede bånd over store områder. "

Mens jeg fortsætter med at studere de grundlæggende egenskaber ved nanoribbons, teamet agter også at undersøge deres anvendelse i energilagring, elektronisk transport og termoelektriske enheder gennem nye globale samarbejder og ved at arbejde med ekspertteam på tværs af UCL.