Mycket liten, enskild, flexibla band av kristallint fosfor har gjorts av UCL-forskare i en världsnyhet, och de skulle kunna revolutionera elektronik och snabbladdande batteriteknik.

Sedan isoleringen av 2-dimensionell fosforen, som är fosforekvivalenten till grafen, under 2014, mer än 100 teoretiska studier har förutspått att nya och spännande egenskaper kan uppstå genom att producera smala "band" av detta material. Dessa fastigheter kan vara extremt värdefulla för en rad branscher.

I en studie publicerad idag i Natur , forskare från UCL, University of Bristol, Virginia Commonwealth and University och École Polytechnique Fédérale de Lausanne, beskriv hur de bildade mängder av högkvalitativa band av fosforen från kristaller av svart fosfor och litiumjoner.

"Det är första gången som individuella fosforen nanoband har gjorts. Spännande egenskaper har förutspåtts och tillämpningar där fosforen nanoband kan spela en transformerande roll är mycket omfattande, " sa studieförfattaren, Dr Chris Howard (UCL Fysik &Astronomi).

Banden bildas med en typisk höjd av ett atomlager, bredder på 4-50 nm och är upp till 75 μm långa. Detta bildförhållande är jämförbart med det för kablarna som spänner över Golden Gate-brons två torn.

"Genom att använda avancerade bildbehandlingsmetoder, vi har karakteriserat banden i detalj och funnit att de är extremt platta, kristallint och ovanligt flexibelt. De flesta är bara ett enda lager av atomer tjocka men där bandet är bildat av mer än ett lager av fosfor, vi har hittat sömlösa steg mellan 1-2-3-4 lager där bandet delar sig. Detta har inte setts tidigare och varje lager bör ha distinkta elektroniska egenskaper, " förklarade första författare, Mitch Watts (UCL Fysik &Astronomi).

Medan nanoband har tillverkats av flera material som grafen, Fosforen nanorbanden som produceras här har ett större intervall av bredder, höjder, längder och bildförhållanden. Dessutom, de kan produceras i stor skala i en vätska som sedan kan användas för att applicera dem i volym till låg kostnad för tillämpningar.

Teamet säger att de förutspådda användningsområdena inkluderar batterier, solceller, termoelektriska anordningar för omvandling av spillvärme till elektricitet, fotokatalys, nanoelektronik och inom kvantberäkning. Vad mer, uppkomsten av exotiska effekter inklusive ny magnetism, spinndensitetsvågor och topologiska tillstånd har också förutspåtts.

Nanobanden bildas genom att blanda svart fosfor med litiumjoner lösta i flytande ammoniak vid -50 grader C. Efter tjugofyra timmar, ammoniaken avlägsnas och ersätts med ett organiskt lösningsmedel som gör en lösning av nanorband av blandade storlekar.

"Vi försökte göra ark av fosforen så vi blev mycket förvånade över att vi hade gjort band. För att nanoband skulle ha väldefinierade egenskaper, deras bredd måste vara enhetlig längs hela längden, och vi upptäckte att detta var exakt fallet för våra band, " sa Dr Howard.

"Samtidigt som man upptäckte banden, våra egna verktyg för att karakterisera deras morfologier utvecklades snabbt. Det höghastighetsmikroskop för atomkraft som vi byggde vid University of Bristol har den unika förmågan att kartlägga nanoskaliga egenskaper hos banden över deras makroskopiska längder, " förklarade medförfattaren Dr. Loren Picco (VCU Physics).

"Vi kan också bedöma längdintervallet, bredder och tjocklekar produceras i detalj genom att avbilda många hundra band över stora ytor."

Samtidigt som vi fortsätter att studera de grundläggande egenskaperna hos nanorbanden, teamet har för avsikt att också utforska deras användning vid energilagring, elektroniska transporter och termoelektriska enheter genom nya globala samarbeten och genom att arbeta med expertteam över hela UCL.