Foszforén nanopelyhek: új, flexibilis anyagok hangolható mechanikai és optikai tulajdonsággal
A kétdimenziós (2D) anyagok olyan kristályos anyagok, amelyet egy- vagy néhány réteg atom épít fel. Az első előállított kétdimenziós anyag a grafén volt, melyet a grafit egyetlen rétegét leválasztva kaphatunk meg. A kétdimenziós anyagok segítségével olyan új termékek állíthatók elő, melyek az eddigi technológiákkal és anyagokkal nehezen, vagy egyáltalán nem valósíthatók meg. Tudományos érdekességük és a különböző területeken való ígéretes alkalmazásuk (mint például napelemek, félvezetők, elektródák, víztisztítás) miatt a kétdimenziós anyagok kutatásában és technológiájában szédületes fejlődésnek lehetünk tanúi.
Az egyik legígéretesebb új kétdimenziós anyag a foszforén. A periódusos rendszer egyik érdekes jellemzője az ún. diagonál szabály, ami azt jelenti, hogy egy bizonyos elem kémiai tulajdonságaiban hasonlít a hozzá képest jobb alsó átlóban található elemre. A foszfor esetén ennek alapján szénhez hasonló kémiai viselkedést várunk, azaz a grafittal analóg, réteges szerkezetű feketefoszfor felveti a lehetőségét, hogy leválasszunk egyetlen réteget. A ragasztószalagos eljárással grafitból kapott grafén mintájára előállítottak már feketefoszforból foszforént. A foszforén félvezető és közvetlen tiltott sávval rendelkezik, melynek szélessége kb. megegyezik a szilíciuméval. Anizotróp szerkezete különleges mechanikai, elektronikai, mágneses, optikai és termikus tulajdonságok megjelenéséhez vezetnek.
Munkám célja a foszforén kétdimenziós rácsából származtatható nanorészecskék új tulajdonságainak feltárása és annak megértése, hogy ezek a tulajdonságok miképp befolyásolhatók a részecske méretének és alakjának változtatásával. A foszforén nanorészecskék (“nanopelyhek” - angolul nanoflake) tulajdonságait (szerkezet, stabilitás, flexibilitás, optikai tulajdonságok) vizsgáltam számításos kémiai módszerek segítségével. A vizsgálatok során különböző számítási módszereket teszteltem és kiválasztottam a vizsgált tulajdonságok leírására legalkalmasabbat.
Stabilitását vizsgálva elmondható, hogy a foszforén nanopelyhek energiája minden esetben kisebb a fehérfoszforénál, azaz energetikai szempontból viszonylag stabilis szerkezetekről van szó. Azonban a különböző hőmérsékleten végzett szabadentalpia számítások azt mutatták, hogy foszfinból való gázfázisú előállítás során a fehérfoszfor képződése várható a nagyobb entrópianövekedés miatt, így a nanopelyhek várhatóan oldatban vagy felületen állíthatók elő.
Dinamikai számításokból azt a következtetést vonhatjuk le, hogy bár a foszforén nanopelyhek flexibilisek, de szobahőmérsékleten és 500 K-en nincs jelentős deformáció, azaz laboratóriumi körülmények között síkszerkezetűnek tekinthető a részecske, és magasabb hőmérsékleten sem tekeredik fel, csak deformálódik a nanopehely.
Vizsgáltam foszforén nanorészecskék optikai tulajdonságait a részecskék méretének függvényében. Azt tapasztaltam, hogy a gerjesztési energia a legkisebb nanorészecskék estében a legnagyobb, és a méret növelésével csökken. Ilyen módon nemcsak a gerjesztési energiának a részecske méretével való beállítására van lehetőség, hanem többféle méretű nanopehely együttes alkalmazásával a fény spektrumának széles tartományát elnyelő rendszer készíthető. Így a foszforén nanopelyhek napelemek aktív anyagai lehetnek, illetve új, hatékony fotokémiai katalizátorok kifejlesztéséhez járulhatnak hozzá.
szerző
-
Bódi Dorina
Vegyészmérnöki alapképzési szak, nappali BSC
alapképzés (BA/BSc)
konzulensek
-
Dr. Höltzl Tibor
fejlesztőmmérnök, FETI KFT (külső) -
Dr. Veszprémi Tamás
egyetemi tanár, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék
