At kaste lys over absorptionen af ​​lys af titaniumdioxid

Titandioxid (TiO2) er et af de mest lovende materialer til fotovoltaik og fotokatalyse i dag. Dette materiale optræder i forskellige krystallinske former, men den mest attraktive til applikationer kaldes "anatase". På trods af årtiers undersøgelser af omdannelsen af ​​det absorberede lys til elektriske ladninger i anatase TiO2, selve arten af ​​dens grundlæggende elektroniske og optiske egenskaber var stadig ukendt. EPFL-forskere, med nationale og internationale partnere, har nu kastet lys over problemet ved en kombination af banebrydende steady-state og ultrahurtige spektroskopiske teknikker, samt teoretiske beregninger. Værket er udgivet i Naturkommunikation .

Anatase TiO2 er involveret i en bred vifte af applikationer, lige fra fotovoltaik og fotokatalyse til selvrensende briller, og vand- og luftrensning. Alle disse er baseret på absorptionen af ​​lys og dets efterfølgende omdannelse til elektriske ladninger. På grund af dens udbredte anvendelse i forskellige applikationer, TiO2 har været et af de mest undersøgte materialer i det tyvende århundrede, både eksperimentelt og teoretisk.

Når lys skinner på et halvledende materiale som TiO2, det genererer enten frie negative (elektroner) og positive (huller) ladninger eller et bundet neutralt elektron-hul-par, kaldet en exciton. Excitoner er af stor interesse, fordi de kan transportere både energi og ladninger på nanoskala niveau, og danner grundlaget for et helt felt af næste generations elektronik, kaldet "excitonics". Problemet med TiO2 er indtil videre, at vi ikke klart har kunnet identificere arten og egenskaberne af det fysiske objekt, der absorberer lys og karakteriserer dets egenskaber.

Gruppen af ​​Majed Chergui ved EPFL, sammen med nationale og internationale kolleger, har kastet lys over dette langvarige spørgsmål ved at bruge en kombination af banebrydende eksperimentelle metoder:steady-state angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), som kortlægger elektronernes energetik langs de forskellige akser i det faste stof; spektroskopisk ellipsometri, som bestemmer faststoffets optiske egenskaber med høj nøjagtighed; og ultrahurtig todimensionel dyb-ultraviolet spektroskopi, brugt for første gang i studiet af materialer, sammen med state-of-the-art første-principper teoretiske værktøjer.

De opdagede, at tærsklen for det optiske absorptionsspektrum skyldes en stærkt bundet exciton, som udviser to bemærkelsesværdige nye egenskaber:For det første, det er begrænset til et todimensionalt (2D) plan af materialets tredimensionelle gitter. Dette er den første sådan sag nogensinde rapporteret i kondenseret stof. Og for det andet denne 2D exciton er stabil ved stuetemperatur og robust mod defekter, da det er til stede i enhver type TiO2-enkeltkrystaller, tynde film, og endda nanopartikler, der bruges i enheder.

Denne "immunitet" af excitonen over for langsigtede strukturelle forstyrrelser og defekter indebærer, at den kan lagre den indkommende energi i form af lys og lede den på nanoskalaen på en selektiv måde. Dette lover en enorm forbedring i forhold til den nuværende teknologi, hvor den absorberede lysenergi spredes som varme til krystalgitteret, hvilket gør de konventionelle exciteringsordninger ekstremt ineffektive.

Desuden, den nyopdagede exciton er meget følsom over for en række ydre og indre stimuli i materialet (temperatur, tryk, overskydende elektrontæthed), baner vejen for en magtfuld, nøjagtig og billig detekteringsordning for sensorer med en optisk udlæsning.

"I betragtning af at det er billigt og nemt at fremstille anatase TiO2-materialer, disse resultater er afgørende for mange applikationer og videre", siger Majed Chergui. "At vide, hvordan elektriske ladninger genereres, efter at lys er absorberet, er en nøgleingrediens for effektive fotokatalysatorer."