Forscher haben eine neue Familie von Nanomaterialien geschaffen, indem sie Phosphor mit Arsen legierten, ein Atom dicke Materialbänder, die hoch leitfähig und ideale Kandidaten für Batterien, Solarzellen und Quantencomputer der nächsten Generation sind. Phosphor leitet Elektrizität nicht sehr gut, sodass er für sich genommen in praktischen Anwendungen und Geräten kaum von Nutzen ist. Forscher des University College London (UCL) fanden jedoch heraus, dass Phosphor noch nützlicher wird, wenn es mit Arsen legiert wird.
Adam Clancy, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, sagte: „Unsere neueste Arbeit zur Legierung von Phosphor-Nanobändern mit Arsen eröffnet viele weitere Möglichkeiten – insbesondere zur Verbesserung der Energiespeicherung in Batterien und Superkondensatoren und zur Verbesserung von Nahinfrarot-Detektoren für die Medizin.“
Mit Nanobändern meinen die Forscher ein Atom dicke Bänder aus Phosphor, genauer gesagt Phosphoren, einem zweidimensionalen Material, das aus einer einzigen Schicht künstlich hergestellten geschichteten schwarzen Phosphors besteht, der stabilsten Form von Phosphor. Im Jahr 2019 entdeckten Forscher am UCL das Potenzial von Phosphor-Nanobändern. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen einer Schicht aus Phosphor-Nanobändern zu Peroxid-Solarzellen es den Zellen ermöglichen könnte, mehr Energie von der Sonne einzufangen.
In der aktuellen Studie führten sie „Spuren“ von Arsen ein, um die Leitfähigkeit von Phosphor zu verbessern. Aus Phosphor- und Arsenflocken gebildete Kristalle werden mit Lithium gemischt, das in flüssigem Ammoniak bei -58 °F (-50 °C) gelöst ist. Entfernen Sie nach 24 Stunden das Ammoniak und ersetzen Sie es durch organisches Lösungsmittel. Aufgrund der atomaren Struktur der Flocken können sich Lithiumionen nur in eine Richtung und nicht seitlich bewegen, wodurch sich Risse zu Bändern bilden. Forscher haben eine neue Familie von Nanomaterialien geschaffen: Arsen-Phosphor-Legierungs-Nanobänder (AsPNRs).
Sie fanden heraus, dass Nanobänder aus Arsen-Phosphor-Legierungen über 130 K (-226 °F/-140 °C) hochleitfähig sind und gleichzeitig die nützlichen Eigenschaften von reinen Phosphor-Nanobändern beibehalten. Ein wesentliches Merkmal von AsPNRs ist ihre extrem hohe „Lochmobilität“. Löcher sind die umgekehrten Partner von Elektronen beim Elektronentransport. Daher kann eine Erhöhung der Lochmobilität (ein Maß dafür, wie schnell sich Löcher durch ein Material bewegen) dazu beitragen, die Effizienz der Stromübertragung zu steigern.
Derzeit müssen Phosphor-Nanobänder mit leitfähigen Materialien wie Kohlenstoff gemischt werden, um als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen- oder Natrium-Ionen-Batterien verwendet zu werden. Die Forscher sagten, dass AsPNRs die Energiespeicherkapazität sowie die Lade- und Entladegeschwindigkeit der Batterie verbessern und so den Bedarf an Kohlenstofffüllstoffen eliminieren können. Darüber hinaus sagen sie, dass die Verwendung von AsPNRs in Solarzellen den Ladungsfluss durch das Gerät verbessern und dadurch die Effizienz der Zellen erhöhen wird.
„Die Arsen-Phosphor-Bänder sind auch magnetisch, und wir glauben, dass der Magnetismus von den Atomen an den Rändern herrührt, was sie potenziell auch für Quantencomputer nützlich macht“, sagte Clancy. „Im weiteren Sinne zeigt diese Studie, dass Legierungen ein wirksames Instrument zur Steuerung der Eigenschaften dieser wachsenden Familie von Nanomaterialien und damit ihrer Anwendungen und ihres Potenzials sind.“
Die Forscher sagen, dass ihre AsPNRs in großem Maßstab in einer Flüssigkeit hergestellt werden können, die dann kostengünstig in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann.
Die Forschung wurde im Journal der American Chemical Society veröffentlicht.