Учёные создали ленту из фосфора толщиной в один атом

Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) создали ленты из фосфора, имеющие толщину в один атом. Сообщается, что ленты легированы мышьяком. В качестве области применения называется повышение эффективности суперконденсаторов, аккумуляторов и солнечных элементов.

Группа исследователей обнаружила наноленты из фосфора ещё в 2019 году. По их прогнозам, этот материал должен произвести революцию в самых разных устройствах, от аккумуляторов до медицинских датчиков. В настоящее время ведётся работа по внедрению этого материала для увеличения срока службы литий-ионных аккумуляторов и повышения эффективности солнечных батарей. Среди проблем стоит отметить тот факт, что материалы, содержащие фосфор, плохо проводят электрический ток. Это затрудняет их применение в некоторых направлениях.

Результаты нового исследования были опубликованы в Журнале Американского химического общества. Там указывается, что были созданы наноленты из фосфора и небольшого количества мышьяка. Материал может проводить электричество при температуре выше -140 градусов Цельсия. При этом полезные свойства мышьяка сохраняются. Руководитель исследования доктор Адам Клэнси (Adam Clancy) из UCL Chemistry отмечает, что экспериментальные работы показали перспективность нанолент из фосфора, которые команда UCL создала ещё в 2019 году.  В 2021 году было продемонстрировано, что добавление таких нанолент в качестве слоя перовскитных солнечных элементов позволило использовать больше солнечной энергии.

Проведённая работа по сплавлению фосфорных нанолент с мышьяком даёт новые возможности по улучшению хранения энергии в аккумуляторах и суперконденсаторах. Кроме того, с помощью такого материала можно улучшить детекторы ближнего инфракрасного диапазона, которые часто используются в медицине. Исследователи говорят, что ленты из фосфора с мышьяком оказались магнитными. Это может открыть для них использование в области квантовых компьютеров.

В более широком смысле проведённое исследование демонстрирует, что легирование представляет собой мощный инструмент для контроля за свойствами материала. В результате, можно расширять потенциал и область применения этого семейства наноматериалов. Учёные говорят, что подобная технология может применяться для изготовления сплавов фосфора с прочими элементами, среди которых может быть германий или селен.

Для использования полученного материала в качестве анода в литий-ионных или натрий ионных аккумуляторов,  фосфорную наноленту необходимо наполнить проводящим материалом – углеродом. Исследователи утверждают, что благодаря использованию добавки мышьяка, углеродный наполнитель теперь не нужен. Его можно удалить, увеличив тем самым энергетическую плотность аккумулятора, а также скорость заряда и разряда. В солнечных элементах ленты из фосфора и мышьяка могут улучшить поток заряда и повысить эффективность.

Наноленты мышьяк-фосфор, которые созданы группы исследователей, имеют высоту в несколько слоёв и длину в несколько микрометров. При этом ширина составляет десятки нанометров. Учёные изготовили их путём смешивания кристаллов, образованных из листов мышьяка и фосфора. Эти кристаллы смешивали с литием, растворенным в жидком аммиаке при -50 С. В течение суток аммиак удаляется и заменяется органическим растворителем. Поскольку листы имеют атомную структуру, ионы лития перемещаются только в одном направлении. Из-за этого происходит растрескивание, и образуются ленты.

Основной характеристикой наноленты является очень высокая «подвижность дырок». «Дырки» являются противоположностью электронов в электрическом транспорте. Улучшение подвижности дырок (скорость, с которой они двигаются через материал) позволяет электрическому току передвигаться более эффективно.

Сообщается, что наноленты можно выпускать в больших количествах в виде жидкости. Затем эту жидкость можно использовать для объемного нанесения с низкими затратами и использовать в различных направлениях. Фосфорные наноленты были открыты учеными UCL под руководством профессора Криса Ховарда (Chris Howard). С момента выделения двумерных листов фосфорена в 2014 году было проведено более 100  теоретических исследований. В них были предсказаны новые интересные свойства, которые могут возникнуть при производстве узких лент из этого материала.