Когда дело доходит до создания электроники следующего поколения, двумерные полупроводники имеют большое преимущество. Они быстрее, мощнее и эффективнее. Их также невероятно сложно изготовить.
Трехмерные полупроводниковые частицы тоже имеют преимущество - многие из них - учитывая их геометрически разнообразные поверхности. Исследователи из Корнелла обнаружили, что соединения на краях этих граней обладают двумерными свойствами, которые можно использовать для фотоэлектрохимических процессов, в которых свет используется для запуска химических реакций, что может способствовать развитию технологий преобразования солнечной энергии.
Это исследование, проведенное под руководством Пэн Чена, Питера Дж. В. Дебай, профессор химии Колледжа искусств и наук, также может принести пользу технологиям использования возобновляемых источников энергии, которые сокращают выбросы углекислого газа, превращают азот в аммиак и производят перекись водорода..
Документ группы «Влияние межгранных соединений на фотоэлектроды в виде частиц», опубликованный 24 декабря в Nature Materials. Ведущий автор статьи - научный сотрудник Сяньвэнь Мао.
В своем исследовании исследователи сосредоточились на полупроводниковом ванадате висмута, частицы которого могут поглощать свет, а затем использовать эту энергию для окисления молекул воды - чистый способ получения водорода, а также кислорода.
Сами полупроводниковые частицы имеют анизотропную форму; то есть у них есть трехмерные поверхности, полные граней, наклоненных друг к другу и сходящихся краями на поверхности частицы. Однако не все грани равны. Они могут иметь разную структуру, что, в свою очередь, приводит к разным энергетическим уровням и электронным свойствам.
«Поскольку у них разные уровни энергии, когда они соединяются на краю, возникает несоответствие, и несоответствие дает вам переход», - сказал Чен. «Если бы у вас был чистый металл, у него не было бы этого свойства».
Используя пару методов визуализации с высоким пространственным разрешением, Мао и Чен измерили фотоэлектрохимический ток и поверхностные реакции в нескольких точках на каждой грани и прилегающем крае между ними, а затем использовали кропотливый количественный анализ данных, чтобы нанести на карту изменения перехода.
Исследователи были удивлены, обнаружив, что трехмерные частицы действительно могут обладать электронными свойствами двумерных материалов, в которых переход происходит постепенно через так называемую переходную зону вблизи края, где сходятся грани - открытие, которое никогда не предполагалось и не могло быть выявлено без визуализации с высоким разрешением.
Мао и Чен предполагают, что ширина переходной зоны сравнима с размером грани. Это потенциально даст исследователям возможность «настраивать» электронные свойства и настраивать частицы для фотокаталитических процессов. Они также могли настраивать свойства, изменяя ширину приграничных переходных зон с помощью химического легирования.
«Электронные свойства зависят от того, какие две грани сходятся на краю. Теперь вы можете проектировать материалы так, чтобы две желаемые грани сливались. Итак, существует принцип проектирования», - сказал Чен. «Вы можете спроектировать частицу для лучшей производительности, а также можете легировать материал некоторыми примесными атомами, что изменяет электронные свойства каждой грани. И это также изменит переход, связанный с этим межграневым соединением. Это действительно указывает на дополнительные возможности для трехмерных полупроводниковых частиц."
Исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США - Базовые энергетические науки, программа Catalysis Science. Исследователи воспользовались услугами Корнельского центра исследования материалов, который поддерживается Национальным научным фондом.