Des chercheurs de l'UCL ont créé des rubans d'un atome d'épaisseur composés de phosphore allié à de l'arsenic qui pourraient améliorer considérablement l'efficacité d'appareils tels que les batteries, les supercondensateurs et les cellules solaires.

L'équipe de recherche a découvert des nanorubans de phosphore en 2019. Ce « matériau miracle », censé révolutionner les appareils allant des batteries aux capteurs biomédicaux, a depuis été utilisé pour augmenter la durée de vie des batteries lithium-ion et l'efficacité des cellules solaires.

Cependant, les matériaux contenant uniquement du phosphore ne conduisent pas très bien l'électricité, ce qui rend difficile leur utilisation pour certaines applications.

Dans la nouvelle étude, publiée dans le Journal of the American Chemical Society , les chercheurs ont créé des nanorubans composés de phosphore et d'infimes quantités d'arsenic, capables de conduire l'électricité à des températures supérieures à -140°C, tout en conservant les propriétés très utiles des rubans contenant uniquement du phosphore.

L'auteur principal, le Dr Adam Clancy (UCL Chemistry), a déclaré :« Les premiers travaux expérimentaux ont déjà montré la promesse remarquable des nanorubans de phosphore, créés pour la première fois par notre équipe UCL en 2019. En 2021, par exemple, il a été démontré que l'ajout du Les nanorubans en tant que couche sur les cellules solaires à pérovskite ont permis aux cellules d'exploiter plus d'énergie du soleil.

"Nos derniers travaux sur l'alliage de nanorubans de phosphore avec de l'arsenic ouvrent de nouvelles possibilités, notamment en améliorant le stockage d'énergie des batteries et des supercondensateurs, ainsi qu'en améliorant les détecteurs proche infrarouge utilisés en médecine.

"Les rubans d'arsenic-phosphore se sont également révélés magnétiques, ce qui, selon nous, provient des atomes situés le long du bord, ce qui les rend potentiellement intéressants également pour les ordinateurs quantiques.

"Plus largement, l'étude montre que l'alliage est un outil puissant pour contrôler les propriétés et donc les applications et le potentiel de cette famille croissante de nanomatériaux." Les chercheurs affirment que la même technique pourrait être utilisée pour fabriquer des alliages combinant le phosphore avec d'autres éléments tels que le sélénium ou le germanium.

Pour être utilisés comme matériau d’anode dans les batteries lithium-ion ou sodium-ion, les nanorubans de phosphore devraient actuellement être mélangés à un matériau conducteur comme le carbone. En ajoutant de l'arsenic, la charge de carbone n'est plus nécessaire et peut être éliminée, augmentant ainsi la quantité d'énergie que la batterie peut stocker et la vitesse à laquelle elle peut être chargée et déchargée.

Dans les cellules solaires, les nanorubans d'arsenic-phosphore peuvent améliorer encore davantage le flux de charge à travers les dispositifs, améliorant ainsi l'efficacité des cellules.

Les rubans arsenic-phosphore créés par l’équipe de recherche avaient généralement quelques couches de haut, plusieurs micromètres de long et des dizaines de nanomètres de large. Ils ont été fabriqués en mélangeant des cristaux formés de feuilles de phosphore et d'arsenic avec du lithium dissous dans de l'ammoniac liquide à -50°C. (Après 24 heures, l'ammoniac est éliminé et remplacé par un solvant organique.) La structure atomique des feuilles signifie que les ions lithium ne peuvent se déplacer que dans une seule direction, et non latéralement, provoquant des fissures qui créent les rubans.

Une caractéristique clé des nanorubans est qu’ils ont également une « mobilité des trous » extrêmement élevée. Les trous sont les partenaires opposés des électrons dans le transport électrique, donc l'amélioration de leur mobilité (une mesure de la vitesse à laquelle ils se déplacent à travers le matériau) permet au courant électrique de se déplacer plus efficacement.

Les nanorubans pourraient être produits à grande échelle dans un liquide qui pourrait ensuite être utilisé pour les appliquer en volume à faible coût pour différentes applications.

Des nanorubans de phosphore ont été découverts à l'UCL par une équipe interdisciplinaire dirigée par le professeur Chris Howard (UCL Physics &Astronomy). Depuis l'isolement de feuilles de phosphorène bidimensionnelles en 2014, plus de 100 études théoriques avaient prédit de nouvelles propriétés passionnantes qui pourraient émerger en produisant des rubans étroits de ce matériau.

Plus d'informations : Feng Fei Zhang et al, Production de nanorubans magnétiques en alliage d'arsenic et de phosphore avec de petites bandes interdites et des conductivités de trous élevées, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c03230

Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society

Fourni par l'University College London