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Wunder-Material: Individuelle 2D-Phosphoren-Nanobänder erstmals hergestellt

12.04.2019

Watts et al.

Individuelle Phosphoren-Nanobänder

Winzige, individuelle, flexible Bänder aus kristallinem Phosphor wurden von UCL-Forschern in einer Weltneuheit hergestellt, und sie könnten die Elektronik und die Schnellladetechnik revolutionieren.

Seit der Isolierung von zweidimensionalen Phosphoren, dem Phosphoräquivalent von Graphen, im Jahr 2014 haben mehr als 100 theoretische Studien vorhergesagt, dass neue und aufregende Eigenschaften entstehen könnten, indem sie schmale "Bänder" aus diesem Material erzeugen. Diese Eigenschaften können für eine Reihe von Branchen äußerst wertvoll sein.

In einer in Nature veröffentlichten Studie beschreiben Forscher des UCL, der University of Bristol, Virginia Commonwealth and University und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, wie sie aus Kristallen von schwarzen Phosphor- und Lithiumionen Mengen hochwertiger Phosphorbänder gebildet haben.

"Es ist das erste Mal, dass einzelne Phosphor-Nanobänder hergestellt wurden. Es wurden spannende Eigenschaften vorhergesagt. Anwendungen, bei denen Phosphor-Nanobänder eine transformative Rolle spielen könnten, sind sehr weitreichend", sagt Studienautor Dr. Chris Howard (UCL Physics & Astronomy).

Die Bänder bilden sich mit einer typischen Höhe von einer Atomschicht, Breiten von 4-50 nm und sind bis zu 75 μm lang. Dieses Seitenverhältnis ist vergleichbar mit dem der Kabel, die die beiden Türme der Golden Gate Bridge überspannen.

"Durch den Einsatz fortschrittlicher bildgebender Verfahren haben wir die Bänder sehr detailliert charakterisiert und festgestellt, dass sie extrem flach, kristallin und ungewöhnlich flexibel sind. Die meisten sind nur eine einzige Schicht aus Atomen dick, aber wenn das Band aus mehr als einer Schicht Phosphoren gebildet wird, haben wir nahtlose Schritte zwischen 1-2-3-4 Schichten gefunden, wo sich das Band spaltet. Das ist noch nie zuvor gesehen worden und jede Schicht sollte unterschiedliche elektronische Eigenschaften aufweisen", erklärte Erstautor Mitch Watts (UCL Physics & Astronomy).

Während Nanobänder aus mehreren Materialien wie Graphen hergestellt wurden, weisen die hier hergestellten Phosphor-Nanobänder eine größere Bandbreite an Breiten, Höhen, Längen und Seitenverhältnissen auf. Darüber hinaus können sie skaliert in einer Flüssigkeit hergestellt werden, die dann dazu verwendet werden kann, sie in Mengen und zu geringen Kosten für Anwendungen anzuwenden.

Das Team sagt, dass die vorhergesagten Anwendungsbereiche Batterien, Solarzellen, thermoelektrische Geräte zur Umwandlung von Abwärme in Strom, Photokatalyse, Nanoelektronik und Quantencomputer umfassen. Darüber hinaus wurde auch das Auftreten exotischer Effekte wie neuartiger Magnetismus, Spindichtewellen und topologische Zustände vorhergesagt.

Die Nanobänder werden durch Mischen von schwarzem Phosphor mit Lithiumionen gebildet, die im flüssigen Ammoniak bei -50 Grad C gelöst sind. Nach 24 Stunden wird das Ammoniak entfernt und durch ein organisches Lösungsmittel ersetzt, das eine Lösung aus Nanobändern unterschiedlicher Größe bildet.

"Wir versuchten, Phosphorplatten herzustellen, also waren wir sehr überrascht, als wir entdeckten, dass wir Bänder hergestellt hatten. Damit Nanobänder gut definierte Eigenschaften haben, müssen ihre Breiten über die gesamte Länge gleichmäßig sein, und wir haben festgestellt, dass dies bei unseren Bändern genau der Fall ist", sagt Dr. Howard.

"Gleichzeitig mit der Entdeckung der Bänder entwickelten sich unsere eigenen Werkzeuge zur Charakterisierung ihrer Morphologien schnell weiter. Das Hochgeschwindigkeits-Atomkraftmikroskop, das wir an der Universität Bristol gebaut haben, verfügt über die einzigartigen Fähigkeiten, die nanoskaligen Eigenschaften der Bänder über ihre makroskopischen Längen abzubilden", erklärt Co-Autor Dr. Loren Picco (VCU Physics).

"Wir konnten auch den Bereich der Längen, Breiten und Dicken sehr detailliert beurteilen, indem wir viele hundert Bänder über große Flächen abgebildet haben."

Während das Team weiterhin die grundlegenden Eigenschaften der Nanobänder untersucht, beabsichtigt es, ihren Einsatz in Energiespeichern, elektronischen Transportmitteln und thermoelektrischen Geräten durch neue globale Kooperationen und durch die Zusammenarbeit mit Expertenteams in der gesamten UCL zu untersuchen.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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