Klein, individueel, flexibele linten van kristallijn fosfor zijn gemaakt door UCL-onderzoekers in een wereldprimeur, en ze zouden een revolutie teweeg kunnen brengen in de elektronica en snelladende batterijtechnologie.

Sinds de isolatie van 2-dimensionaal fosforeen, wat het fosforequivalent is van grafeen, in 2014, meer dan 100 theoretische studies hebben voorspeld dat nieuwe en opwindende eigenschappen zouden kunnen ontstaan ​​door het produceren van smalle 'linten' van dit materiaal. Deze eigenschappen kunnen zeer waardevol zijn voor een reeks industrieën.

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , onderzoekers van de UCL, de Universiteit van Bristol, Virginia Commonwealth en University en École Polytechnique Fédérale de Lausanne, beschrijven hoe ze hoeveelheden hoogwaardige linten van fosforeen vormden uit kristallen van zwarte fosfor en lithiumionen.

"Het is de eerste keer dat individuele fosforeen-nanolinten zijn gemaakt. Er zijn opwindende eigenschappen voorspeld en toepassingen waarbij fosforeen-nanolinten een transformerende rol zouden kunnen spelen, zijn zeer verstrekkend, " zei studie auteur, Dr. Chris Howard (UCL Natuur- en Sterrenkunde).

De linten vormen met een typische hoogte van één atoomlaag, breedtes van 4-50 nm en zijn tot 75 m lang. Deze beeldverhouding is vergelijkbaar met die van de kabels die de twee torens van de Golden Gate Bridge overspannen.

"Door geavanceerde beeldvormingsmethoden te gebruiken, we hebben de linten tot in detail gekarakteriseerd en ontdekten dat ze extreem plat zijn, kristallijn en ongewoon flexibel. De meeste zijn slechts een enkele laag atomen dik, maar waar het lint is gevormd uit meer dan één laag fosforeen, we hebben naadloze stappen gevonden tussen 1-2-3-4 lagen waar het lint splitst. Dit is nog niet eerder gezien en elke laag zou verschillende elektronische eigenschappen moeten hebben, " verklaarde eerste auteur, Mitch Watts (UCL Natuur- en Sterrenkunde).

Hoewel nanolinten zijn gemaakt van verschillende materialen zoals grafeen, de hier geproduceerde fosforeen-nanolinten hebben een groter bereik aan breedtes, hoogtes, lengtes en beeldverhoudingen. Bovendien, ze kunnen op grote schaal worden geproduceerd in een vloeistof die vervolgens kan worden gebruikt om ze in volume toe te passen tegen lage kosten voor toepassingen.

Het team zegt dat de voorspelde toepassingsgebieden batterijen, zonnepanelen, thermo-elektrische apparaten voor het omzetten van restwarmte in elektriciteit, fotokatalyse, nano-elektronica en in quantum computing. Bovendien, de opkomst van exotische effecten, waaronder nieuw magnetisme, spindichtheidsgolven en topologische toestanden zijn ook voorspeld.

De nanoribbons worden gevormd door zwarte fosfor te mengen met lithiumionen opgelost in vloeibare ammoniak bij -50°C. Na vierentwintig uur, de ammoniak wordt verwijderd en vervangen door een organisch oplosmiddel dat een oplossing van nanolinten van verschillende groottes maakt.

"We probeerden platen van fosforeen te maken, dus waren erg verrast toen we ontdekten dat we linten hadden gemaakt. Om nanolinten goed gedefinieerde eigenschappen te geven, hun breedte moet over de gehele lengte gelijk zijn, en we ontdekten dat dit precies het geval was voor onze linten, " zei dr. Howard.

"Tegelijk met het ontdekken van de linten, onze eigen instrumenten voor het karakteriseren van hun morfologieën evolueerden snel. De snelle atoomkrachtmicroscoop die we aan de Universiteit van Bristol hebben gebouwd, heeft de unieke mogelijkheden om de nanoschaalkenmerken van de linten over hun macroscopische lengtes in kaart te brengen. " verklaarde co-auteur Dr. Loren Picco (VCU Physics).

"We konden ook het bereik van lengtes beoordelen, breedtes en diktes tot in detail geproduceerd door vele honderden linten over grote oppervlakken af ​​te beelden."

Terwijl we doorgaan met het bestuderen van de fundamentele eigenschappen van de nanoribbons, het team is van plan om ook het gebruik ervan in energieopslag te onderzoeken, elektronisch transport en thermo-elektrische apparaten door nieuwe wereldwijde samenwerkingen en door samen te werken met deskundige teams binnen de UCL.