研究者らは、リンとヒ素を合金化することにより、導電性が高く、次世代電池、太陽電池、量子コンピューターの理想的な候補となる単一原子の厚さのリボン材料を使用して、新しいナノ材料ファミリーを作成した。リンはあまり電気を通さないため、実際の用途やデバイスではそれ自体ではほとんど役に立ちません。しかし、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL）の研究者らは、リンがヒ素と合金化されるとさらに有用になることを発見した。
この研究の責任著者の一人であるアダム・クランシー氏は、「リンナノリボンとヒ素を合金化するという我々の最新の研究は、特に電池やスーパーキャパシタのエネルギー貯蔵を改善し、医療で使用される近赤外線検出器を強化するという、より多くの可能性を開くものである」と述べた。
研究者らによる「ナノリボン」とは、原子1個の厚さのリンのリボン、より正確には、リンの最も安定な形態である人工的に作られた層状黒リンの単一層で構成される二次元材料であるフォスホレンを意味する。 2019年、UCLの研究者らはリンナノリボンの可能性を発見した。彼らは、過酸化物太陽電池にリンナノリボンの層を追加すると、太陽からより多くのエネルギーを太陽電池が取り込める可能性があることを発見しました。
今回の研究では、リンの導電率を改善するために「微量」のヒ素を導入した。リンとヒ素のフレークから形成された結晶は、-58°F (-50°C) の液体アンモニアに溶解されたリチウムと混合されます。 24 時間後、アンモニアを除去し、有機溶媒に置き換えます。フレークの原子構造により、リチウムイオンは横方向ではなく一方向にのみ移動できるため、亀裂がリボン状に形成されます。研究者らは、新しいナノ材料ファミリーであるヒ素-リン合金ナノリボン (AsPNR) を作成しました。
彼らは、ヒ素-リン合金ナノリボンが、純粋なリンナノリボンの有用な特性を保持しながら、130K（-226°F/-140°C）以上で高い導電性を示すことを発見しました。 AsPNR の重要な特徴は、その非常に高い「正孔移動度」です。正孔は電子輸送において電子の逆パートナーであるため、正孔移動度（正孔が材料中を移動する速度の尺度）を高めると、電流伝達の効率を高めることができます。
現在、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の負極材料として使用するには、リンナノリボンを炭素などの導電性材料と混合する必要がある。研究者らは、AsPNRは電池のエネルギー貯蔵容量と充放電速度を向上させることができるため、炭素充填剤の必要性を排除できると述べた。さらに、太陽電池に AsPNR を使用すると、デバイスを通る電荷の流れが改善され、それによって電池の効率が向上すると述べています。
「ヒ素とリンのリボンは磁性も持っており、その磁性は端に沿った原子から来ていると考えられ、量子コンピューターにも役立つ可能性がある」とクランシー氏は語った。 「より広く言えば、この研究は、合金化がこの成長を続けるナノ材料群の特性、ひいてはその用途と可能性を制御するための強力なツールであることを示しています。」
研究者らは、AsPNR は液体中で大規模に製造でき、低コストでさまざまな用途に使用できると述べています。
この研究は、Journal of the American Chemical Societyに掲載されました。