Des chercheurs ont créé une nouvelle famille de nanomatériaux en alliant le phosphore à l’arsenic
Des chercheurs ont créé une nouvelle famille de nanomatériaux en alliant le phosphore à l’arsenic pour créer des rubans d’un seul atome d’épaisseur qui sont hautement conducteurs, ce qui en fait des candidats idéaux pour les batteries, les cellules solaires et les ordinateurs quantiques de la prochaine génération.
« Du phosphore ? me direz-vous, « mais il ne conduit pas très bien l’électricité ». Vous avez raison, il ne conduit pas bien l’électricité, ce qui signifie qu’en soi, il n’a pas grand-chose à offrir en termes d’applications et de dispositifs pratiques. Toutefois, des chercheurs de l’University College London (UCL) ont découvert que lorsqu’il est allié à l’arsenic, le phosphore devient beaucoup plus utile.
« Nos derniers travaux sur l’alliage de nanorubans de phosphore avec de l’arsenic ouvrent de nouvelles perspectives, notamment l’amélioration du stockage de l’énergie dans les batteries et les supercondensateurs et l’amélioration des détecteurs dans le proche infrarouge utilisés en médecine », a déclaré Adam Clancy, l’un des auteurs correspondants de l’étude.
Par nanorubans, les chercheurs entendent des rubans de phosphore d’un atome d’épaisseur ou, plus précisément, du phosphorène, un matériau 2D constitué d’une seule couche de phosphore noir en couches fabriquée artificiellement, la forme la plus stable du phosphore. En 2019, des chercheurs de l’UCL ont découvert le potentiel des nanorubans de phosphore, en constatant que leur ajout en tant que couche aux cellules solaires à pérovskite permettait à ces dernières d’exploiter davantage l’énergie du soleil.
Dans l’étude actuelle, afin d’améliorer la conductivité électrique du phosphore, ils ont introduit une « minuscule » quantité d’arsenic. Des cristaux formés à partir de feuilles de phosphore et d’arsenic ont été mélangés à du lithium dissous dans de l’ammoniac liquide à -50 °C. L’ammoniac a été retiré après 24 heures et remplacé par un solvant organique.
En raison de la structure atomique des feuilles, les ions lithium ne peuvent se déplacer que dans une seule direction, et non latéralement, ce qui provoque des fissures à l’origine des rubans. Les chercheurs ont créé une nouvelle famille de nanomatériaux : les nanorubans d’alliage arsenic-phosphore (AsPNR).
Ils ont découvert que les AsPNR étaient hautement conducteurs d’électricité au-dessus de 130 K (-140 °C) tout en conservant les propriétés utiles des nanorubans à base de phosphore uniquement. L’une des principales caractéristiques des AsPNR est leur « mobilité des trous » extrêmement élevée. Les trous sont les partenaires opposés des électrons dans le transport électrique, de sorte que l’amélioration de leur mobilité – une mesure de la vitesse à laquelle ils se déplacent dans le matériau – permet au courant électrique de circuler plus efficacement.
Actuellement, pour être utilisés comme matériau d’anode dans les batteries lithium-ion ou sodium-ion, les nanorubans de phosphore doivent être mélangés à un matériau conducteur comme le carbone. Les chercheurs affirment que les AsPNR améliorent la quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker et la vitesse à laquelle elle peut être chargée et déchargée, ce qui permet de se passer de la charge de carbone. En outre, ils affirment que l’utilisation des AsPNR dans les cellules solaires améliorerait le flux de charge à travers les dispositifs, ce qui augmenterait l’efficacité des cellules.
« 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 pour les ordinateurs quantiques », a déclaré Adam Clancy. « 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 de nanomatériaux en pleine expansion. »
Les chercheurs affirment que leurs AsPNR pourraient être produits à l’échelle dans un liquide qui pourrait ensuite être utilisé pour les appliquer, en volume et à faible coût, à différentes applications.
