Forskare vid UCL har skapat en atoms tjocka band gjorda av fosfor legerat med arsenik som dramatiskt kan förbättra effektiviteten hos enheter som batterier, superkondensatorer och solceller.
Forskargruppen upptäckte fosfornanoband 2019. "undermaterialet", som förutspås revolutionera enheter från batterier till biomedicinska sensorer, har sedan dess använts för att öka litiumjonbatteriets livslängd och solcellseffektivitet.
Men material som endast innehåller fosfor leder inte elektricitet särskilt bra, vilket hindrar deras användning för vissa tillämpningar.
I den nya studien, publicerad i Journal of the American Chemical Society , skapade forskarna nanoband gjorda av fosfor och små mängder arsenik, som de fann kunde leda elektricitet vid temperaturer över -140°C, samtidigt som de behöll de mycket användbara egenskaperna hos banden som endast innehåller fosfor.
Seniorförfattaren Dr. Adam Clancy (UCL Chemistry) sa:"Tidigt experimentellt arbete har redan visat det anmärkningsvärda löftet om fosfornanoband, skapade för första gången av vårt UCL-team 2019. Under 2021 visades det till exempel att lägga till nanoband som ett lager till perovskitsolceller gjorde att cellerna kunde utnyttja mer energi från solen.
"Vårt senaste arbete med att legera fosfornanoband med arsenik öppnar upp ytterligare möjligheter – i synnerhet förbättra energilagringen av batterier och superkondensatorer och förbättra nära-infraröda detektorer som används inom medicin.
"Arsenik-fosforbanden har också visat sig vara magnetiska som vi tror kommer från atomer längs kanten, vilket gör dem potentiellt intressanta även för kvantdatorer.
"Mer allmänt visar studien att legering är ett kraftfullt verktyg för att kontrollera egenskaperna och därmed tillämpningarna och potentialen för denna växande nanomaterialfamilj." Forskarna säger att samma teknik skulle kunna användas för att tillverka legeringar som kombinerar fosfor med andra element som selen eller germanium.
För att kunna användas som anodmaterial i litiumjon- eller natriumjonbatterier, skulle fosfornanoband för närvarande behöva blandas med ett ledande material som kol. Genom att tillsätta arsenik är kolfyllmedlet inte längre nödvändigt och kan tas bort, vilket ökar mängden energi som batteriet kan lagra och hastigheten med vilken det kan laddas och laddas ur.
I solceller kan arsenik-fosfor nanoband ytterligare förbättra laddningsflödet genom enheterna, vilket förbättrar cellernas effektivitet.
Arsenik-fosforbanden som forskargruppen skapade var vanligtvis några lager höga, flera mikrometer långa och tiotals nanometer breda. De gjordes genom att blanda kristaller bildade av ark av fosfor och arsenik med litium löst i flytande ammoniak vid -50°C. (Efter 24 timmar avlägsnas ammoniaken och ersätts med ett organiskt lösningsmedel.) Arkens atomära struktur innebär att litiumjonerna bara kan röra sig i en riktning, inte i sidled, vilket orsakar sprickor som skapar banden.
En viktig egenskap hos nanobanden är att de också har extremt hög "hålrörlighet". Hål är motsatta partner till elektroner i elektrisk transport, så att förbättra deras rörlighet (ett mått på den hastighet med vilken de rör sig genom materialet) hjälper elektrisk ström att röra sig mer effektivt.
Nanobanden kunde produceras i skala i en vätska som sedan kunde användas för att applicera dem i volym till låg kostnad för olika applikationer.
Fosfor nanoband upptäcktes vid UCL av ett tvärvetenskapligt team ledd av professor Chris Howard (UCL Physics &Astronomy). Sedan isoleringen av 2-dimensionella fosforenskivor 2014, hade mer än 100 teoretiska studier förutspått nya och spännande egenskaper som skulle kunna uppstå genom att producera smala band av detta material.
Mer information: Feng Fei Zhang et al., Produktion av magnetiska arsenik-fosforlegeringar av nanorband med små bandgap och höga hålledningsförmåga, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03230
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av University College London
