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Schwarzer Phosphor: Die Geburt eines neuen Wundermaterials
In den letzten Jahren sind zweidimensionale Kristalle zu einigen der aufregendsten neuen Materialien geworden, mit denen man spielen kann. Folglich haben sich Materialwissenschaftler überstürzt, um die außergewöhnlichen Eigenschaften von Graphen, Bornitrid, Molybdändisulfid und so weiter zu entdecken.
Ein Nachzügler in dieser Gruppe ist schwarzer Phosphor, bei dem sich Phosphoratome zu einer zweidimensionalen Faltfolie verbinden. Letztes Jahr bauten Forscher einen Feldeffekttransistor aus schwarzem Phosphor und zeigten, dass er bemerkenswert gut funktioniert. Diese Forschung legte nahe, dass schwarzer Phosphor in nanoelektronischen Geräten eine glänzende Zukunft haben könnte.
Aber es gibt ein Problem. Schwarzer Phosphor ist in großen Mengen schwer herzustellen. Heute sagen Damien Hanlon vom Trinity College Dublin in Irland und eine Reihe von Freunden, dass sie dieses Problem gelöst haben.
Diese Jungs haben einen Weg perfektioniert, große Mengen von schwarzen Phosphor-Nanoblättern mit Abmessungen herzustellen, die sie kontrollieren können. Und sie haben diese neu entdeckte Fähigkeit genutzt, um schwarzen Phosphor in einer Reihe neuer Anwendungen zu testen, wie z. B. einem Gassensor, einem optischen Schalter und sogar, um Verbundmaterialien zu verstärken, um sie stärker zu machen.
In loser Form besteht schwarzer Phosphor wie Graphit aus vielen Schichten. Eine Möglichkeit, einzelne Blätter zu trennen, ist also das Peeling, das einfache Abziehen von Schichten mit Klebeband oder anderen Materialien. Das ist eine zeitaufwändige Aufgabe, die potenzielle Anwendungen stark einschränkt.
Also haben Hanlon und Co. mit einem anderen Ansatz gespielt. Ihre Methode besteht darin, den schwarzen Phosphorklumpen in ein flüssiges Lösungsmittel zu legen und ihn dann mit Schallwellen zu bombardieren, die das Material auseinander schütteln.
Das Ergebnis ist, dass sich die Masse in eine große Anzahl von Nanoblättern aufteilt, die das Team mit einer Zentrifuge nach Größe filtert. Übrig bleiben hochwertige Nanoblätter, die nur aus wenigen Schichten bestehen. Flüssigphasen-Peeling ist eine leistungsstarke Technik, um Nanoblätter in sehr großen Mengen herzustellen, sagen sie.
Ein potenzielles Problem mit schwarzen Phosphor-Nanoblättern besteht darin, dass sie sich schnell zersetzen, wenn sie mit Wasser oder Sauerstoff in Kontakt kommen. Einer der Fortschritte, die das Team gemacht hat, ist die Vorhersage, dass bestimmte Lösungsmittel eine Solvatationshülle um die Folie herum bilden sollten, die verhindert, dass Sauerstoff oder andere oxidative Spezies den Phosphor erreichen.
Das Team verwendet N-Cyclohexyl-2-pyrrolidon oder CHP als Lösungsmittel, wodurch die Nanoblätter überraschend langlebig sind.
Der große Vorteil von schwarzem Phosphor gegenüber Graphen besteht darin, dass er eine natürliche Bandlücke hat, die Physiker nutzen können, um elektronische Geräte wie Transistoren herzustellen. Aber Hanlon und Co sagen, dass die neu entdeckte Verfügbarkeit von schwarzen Phosphor-Nanoblättern es ihnen ermöglicht hat, auch eine Reihe anderer Ideen zu testen.
Beispielsweise fügten sie die Nanoblätter einer Folie aus Polyvinylchlorid hinzu, wodurch sie ihre Festigkeit verdoppelten und ihre Zugfestigkeit versechsfachten. Es sind also nicht nur Kohlenstoff-Allotrope, die die Festigkeit erhöhen können!
Sie bestimmten auch die nichtlineare optische Reaktion der Nanoblätter auf einen gepulsten Laser, indem sie die übertragene Lichtmenge maßen. Es stellt sich heraus, dass die Menge an leichtem schwarzem Phosphor, die mit zunehmender Intensität absorbiert wird, abnimmt, eine Eigenschaft, die als sättigbare Absorption bekannt ist. Darüber hinaus ist schwarzer Phosphor darin sogar besser als Graphen.
Schließlich maßen sie den Strom durch die Nanoblätter, während sie Ammoniak ausgesetzt wurden. Sie fanden heraus, dass sich der Widerstand des Materials erhöhte, wenn es mit Ammoniak in Kontakt kam, wahrscheinlich weil Ammoniak Elektronen abgibt, die Löcher in den schwarzen Phosphorblättern neutralisieren.
Das macht schwarzen Phosphor sofort zu einem anständigen Ammoniakdetektor. Laut Hanlon und Co. könnte das Material Ammoniak in Konzentrationen von etwa 80 Teilen pro Milliarde nachweisen.
All dies könnte einen interessanten Wendepunkt in der Forschung im Zusammenhang mit schwarzem Phosphor bedeuten. Viele Menschen werden die Aufregung gesehen haben, die mit den bemerkenswerten Eigenschaften von Graphen verbunden ist. Wenn schwarzer Phosphor nur halb so bemerkenswert ist, sollte es eine interessante Zukunft für Materialwissenschaftler geben.
Ref: arxiv.org/abs/1501.01881 : Flüssige Exfoliation von lösungsmittelstabilisiertem schwarzem Phosphor: Anwendungen jenseits der Elektronik