KAUST-teamet använde state-of-the-art evolutionära sökningar och första principberäkningar för att förutsäga strukturen på B 2 P 6 . Upphovsman:KAUST
Evolutionär sökning har hjälpt forskare att förutsäga den lägsta energistrukturen i ett tvådimensionellt (2-D) material, B 2 P 6 , med några anmärkningsvärda funktioner, inklusive strukturell anisotropi och Janus geometri.
Janus-material – uppkallade efter den tvåsidiga grekiska guden för dualitet – har två ytor med distinkta fysiska egenskaper. Som sådan, de erbjuder unika fördelar, som hög sol-till-väte-effektivitet.
Anisotropa material uppvisar olika egenskaper när de mäts i olika riktningar. När det gäller B 2 P 6 , den joniska diffusionen är starkt anisotrop, en funktion som potentiellt kan vara användbar i prisvärda energilagringslösningar, t.ex. metalljonbatterier.
Till skillnad från föregående, såsom grafen, ett annat 2D-material, detta nya material har ett brett avstämbart bandgap som gör det till en bättre kandidat för användning i elektroniska enheter.
Udo Schwingenschlögl, professor i tillämpad fysik vid KAUST, och Minglei Sun, en postdoc, utförde en detaljerad sökning efter den mest stabila 2-D-kristallstrukturen för binära föreningar som innehåller bor- och fosforatomer tills de kom till B 2 P 6 .
"Vi använde state-of-the-art evolutionära sökningar och första principberäkningar för att förutsäga denna struktur, säger Sun.
Baserat på biologisk utveckling, evolutionär sökning är en beräkningsmetod med vilken forskarna kan söka efter en kristallstruktur inom tusentals kandidater. Med hjälp av denna struktur som input i första principberäkningar, de kan sedan bestämma de fysiska egenskaperna enligt kvanteteorins principer.
"De extraordinära egenskaperna som anisotropi och Janus-geometri försåg inspirerade oss att leta efter ett 2-D-material som kombinerar dessa fördelar, "förklarar Sun. Denna kombination möjliggör nya fastigheter, och i sin tur, bredare applikationer.
I förundersökningar, B 2 P 6 visade mycket lovande inom elektronikområdet och för användning inom energiomvandling och lagring.
Det nya materialet visar stark ljusabsorption, vilket gör det potentiellt användbart vid ren bränsleproduktion från fotokatalytisk vattensplittring-en process som använder naturligt eller artificiellt ljus för att producera väte från vatten. Det är mer effektivt än traditionella fotokatalysatorer, främst på grund av den låga rekombinationshastigheten för fotogenererade bärare.
"För B 2 P 6 , rekombinationen av fotogenererade bärare undertrycks avsevärt av det inneboende elektriska fältet som induceras av dess Janus-struktur, " förklarar Sun. "Det betyder att fler fotogenererade bärare kommer att delta i redoxreaktionerna för vattendelning. Bäranvändningens effektivitet är så hög som 45,1 procent. "
Nästa, forskarna planerar att "förutsäga mer anisotropa Janus 2-D-material med extraordinära egenskaper och ge experimentella riktlinjer för kollegor, "Säger Schwingenschlögl.
