Les chercheurs ont créé une nouvelle famille de nanomatériaux en alliant du phosphore à de l'arsenic, des rubans de matériaux d'une épaisseur d'un seul atome qui sont hautement conducteurs et sont des candidats idéaux pour les batteries, les cellules solaires et les ordinateurs quantiques de nouvelle génération. Le phosphore ne conduit pas très bien l’électricité, ce qui signifie qu’il est peu utile en soi dans des applications et des appareils pratiques. Cependant, des chercheurs de l’University College London (UCL) ont découvert que le phosphore devient encore plus utile lorsqu’il est allié à l’arsenic.
Adam Clancy, l'un des auteurs correspondants de l'étude, a déclaré : « Nos derniers travaux sur l'alliage de nanorubans de phosphore avec de l'arsenic ouvrent de nombreuses autres possibilités, notamment pour améliorer le stockage d'énergie dans les batteries et les supercondensateurs, et pour améliorer les détecteurs proche infrarouge utilisés en médecine. »
Par nanorubans, les chercheurs entendent des rubans de phosphore d’un atome d’épaisseur, ou plus précisément de phosphorène, un matériau bidimensionnel composé d’une seule couche de phosphore noir en couches fabriqué artificiellement, la forme de phosphore la plus stable. En 2019, des chercheurs de l’UCL ont découvert le potentiel des nanorubans de phosphore. Ils ont découvert que l’ajout d’une couche de nanorubans de phosphore aux cellules solaires au peroxyde pourrait permettre aux cellules de capter plus d’énergie du soleil.
Dans la présente étude, ils ont introduit des « traces » d’arsenic afin d’améliorer la conductivité du phosphore. Les cristaux formés à partir de flocons de phosphore et d'arsenic sont mélangés avec du lithium dissous dans de l'ammoniac liquide à -58°F (-50°C). Après 24 heures, retirez l'ammoniac et remplacez-le par un solvant organique. En raison de la structure atomique des flocons, les ions lithium ne peuvent se déplacer que dans une seule direction et non latéralement, provoquant la formation de fissures en rubans. Les chercheurs ont créé une nouvelle famille de nanomatériaux : les nanorubans en alliage arsenic-phosphore (AsPNR).
Ils ont découvert que les nanorubans en alliage arsenic-phosphore sont hautement conducteurs au-dessus de 130K (-226°F/-140°C) tout en conservant les propriétés utiles des nanorubans de phosphore pur. Une caractéristique clé des AsPNR est leur « mobilité de trou » extrêmement élevée. Les trous sont les partenaires inverses des électrons dans le transport des électrons, donc augmenter la mobilité des trous (une mesure de la rapidité avec laquelle les trous se déplacent à travers un matériau) peut contribuer à augmenter l’efficacité du transfert de courant.
Actuellement, les nanorubans de phosphore doivent être mélangés à des matériaux conducteurs tels que le carbone pour être utilisés comme matériaux d'anode dans les batteries lithium-ion ou sodium-ion. Les chercheurs ont déclaré que, comme les AsPNR peuvent améliorer la capacité de stockage d'énergie et la vitesse de charge et de décharge de la batterie, ils peuvent éliminer le besoin de charges de carbone. En outre, ils affirment que l’utilisation d’AsPNR dans les cellules solaires améliorera le flux de charge à travers l’appareil, augmentant ainsi l’efficacité des cellules.
"Les rubans arsenic-phosphore sont également magnétiques, et nous pensons que le magnétisme provient des atomes situés le long des bords, ce qui les rend potentiellement également utiles dans les ordinateurs quantiques", a déclaré Clancy. "Plus largement, cette étude montre que l'alliage est un outil puissant pour contrôler les propriétés de cette famille croissante de nanomatériaux, et donc leurs applications et leur potentiel."
Les chercheurs affirment que leurs AsPNR peuvent être produits à grande échelle dans un liquide, qui peut ensuite être utilisé dans diverses applications à faible coût.
La recherche a été publiée dans le Journal of the American Chemical Society.