شرائط الفوسفور النانوية (PNRs) عبارة عن خيوط شبيهة بالشريط من مادة الفوسفور ثنائية الأبعاد، التي تشبه الجرافين، وتتكون من طبقات ذرات بسمك ذرة واحدة. تم إنتاج هذه الشرائط أول مرة في عام 2019، وتوقعت مئات الدراسات النظرية كيف يمكن لخصائصها أن تعزز جميع أنواع الأجهزة، بما في ذلك البطاريات وأجهزة الاستشعار الطبية الحيوية وأجهزة الحاسوب الكمومية.
ومع ذلك، لم يتم حتى الآن إظهار أي من هذه الخصائص المثيرة المتوقعة في الأجهزة فعلا. الآن، ولأول مرة، استخدم فريق من الباحثين في إمبريال كوليدج لندن وجامعة كوليدج لندن شرائط الفوسفور النانوية (PNRs) لتحسين كفاءة جهاز جديد للخلايا الشمسية – مما يدل على أن هذه المادة العجيبة تحقق ما ذهبت بها الدراسات النظرية.
تم نشر التفاصيل اليوم في دورية “الجمعية الكيميائية الأمريكية American Chemical Society”.
قال الباحث الرئيسي الدكتور توماس ماكدونالد، من قسم الكيمياء ومركز الإلكترونيات القابلة للمعالجة في كلية إمبريال: توقعت مئات الدراسات النظرية الخصائص المثيرة لـشرائط الفوسفور النانوية “PNRs”، ولكن لم تظهر أي تقارير منشورة هذه الخصائص حتى الآن، أو ترجمتها لتطبيقات من شأنها تحسين أداء أي جهاز.
“لذلك يسعدنا أن نقدم الدليل التجريبي الأول لشرائط “PNRs” كطريق واعد للخلايا الشمسية عالية الأداء، ولنعرض أيضًا تنوع هذه المادة النانوية الجديدة لاستخدامها في الجيل التالي من الأجهزة الإلكترو-الضوئية. “
قام الفريق بدمج شرائط “PNRs” في الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت (معدن أكسيد التيتانيوم والكالسيوم) وهو نوع جديد من المواد تبشر بالخير حيث يمكن للعلماء بسهولة تغيير كيفية تفاعلها مع الضوء لتناسب مجموعة من التطبيقات.
على عكس الخلايا الشمسية التقليدية غير المرنة المصنوعة من السيليكون، يمكن تصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية من المحاليل السائلة، مما يسهل الطباعة عليها منخفضة التكلفة على أغشية رقيقة ومرنة. يمكن ببساطة طباعة المواد النانوية الجديدة، مثل شرائط PNRs، كطبقة إضافية لتحسين وظائف الجهاز وكفاءته. بواسطة تضمين شرائط “PNRs”، تمكن الفريق من إنتاج خلايا بيروفسكايت الشمسية بكفاءة أعلى من 21% مقارنة مع خلايا السيليكون الشمسية التقليدية. وقد تمكنا أيضًا من التحقق تجريبيًا بمدى قدرة شرائط “PNRs” على تحقيق المزيد من التحسين على كفاءتها في مختلف اﻷجهزة.
أظهر الباحثون كذلك أن شرائط “PNRs” تحسن ما يطلق عليه الثَّقب المتنقل “hole mobility” هذه الثقوب هي المشارك المعاكس للإلكترونات في التوصيل الكهربائي، لذا فإن تحسين قدرتها على الحركة (مقياس للسرعة التي تتحرك بها عبر المادة) يساعد على انتقال التيار الكهربائي بشكل أكثر كفاءة بين طبقات الجهاز.
يقول الفريق إن هذا التحقق التجريبي لقوة شرائط “PNR” سيساعد الباحثين على إنشاء قواعد تصميم جديدة للأجهزة الإلكترو-الضوئية – تلك التي تنبعث منها أو تكتشفها.
قال الدكتور ماكدونالد: “تظهر نتائجنا أن الخصائص الإلكترونية الوظيفية لشرائط الفوسفور النانوية “PNR” تترجم بالفعل إلى وظائف محسنة. وهذا يسلط الضوء على الأهمية الحقيقية لهذه المادة النانوية المكتشفة حديثًا وفائدتها ويضع معيارًا للأجهزة الإلكترو-الضوئية المكونة من شرائط “PNR “.
ستسمح الدراسات الإضافية التي تستخدم شرائط “PNR” في الأجهزة للباحثين باكتشاف المزيد من الآليات لكيفية تحسين الأداء. سيستكشف الفريق أيضًا كيف يمكن أن يؤدي تعديل سطح الأشرطة النانوية إلى تحسين الخصائص الإلكترونية الفريدة لهذه المواد.
المصدر: https://phys.org/news/2021-12-phosphorene-nanoribbons-hype.html
تمت الترجمة من قبل موقع نادي نانو بتصرف
