Opladningsrekombination opstår, når mobile ladningsbærere til stede i materialet, der udsættes for lys, tilintetgør hinanden og kan hæmme fotokatalysatorens energieffektivitet. Kredit:Masashi Kato fra Nagoya Institute of Technology
I mange år, forskere har været fokuseret på at udvikle teknologier, der kan hjælpe os med at bekæmpe den forestående klimaforandringer. De har ét mål til fælles:At finde bæredygtige energikilder, der kan erstatte de miljøgiftige fossile brændstoffer. Fotokatalysatorer, der driver en kunstig proces, der replikerer fotosyntese (hvor solenergi omdannes til nyttige materialer), er lovende i denne henseende, givet, at vi er i stand til at udvikle den teknologi, der er nødvendig for dem. Krystallinske materialer, såsom strontiumtitanat (SrTiO 3 ), som kan tjene som fotokatalysatorer i solenergiapparater, kan lede os i retningen.
SrTiO 3 er attraktiv også af forskellige andre årsager, såsom dets potentielle anvendelser i resistive kontakter og brændselscellekomponenter. Den alsidige natur af SrTiO 3 har motiveret fysikere til at studere dets forskellige materialeegenskaber i detaljer. Men for at grave dybere ned i egenskaberne ved SrTiO 3 , vi skal forstå lidt mere om dem.
Fotokatalytiske materialer såsom SrTiO 3 er normalt "dopet" med kemikalier som niob (Nb), der hjælper med at forbedre deres elektriske egenskaber. Men en proces kaldet ladningsrekombination kan forekomme i fotokatalysatorer, hvilket hæmmer med deres effektivitet. I denne proces, mobile ladebærere til stede i materialet, såsom elektroner og huller, når de udsættes for lys, kan udslette hinanden. Nogle undersøgelser har vist, at ladningsrekombination påvirkes af tilstedeværelsen af defekter i krystaller. Så hvordan påvirker Nb-doping materialets egenskaber af SrTiO 3 ? Det er præcis, hvad et team af forskere ved Nagoya Institute of Technology, Japan, ledet af prof. Masashi Kato, ønskede at finde ud af.
I deres undersøgelse offentliggjort i Journal of Physics D:Anvendt fysik , forskerne så på virkningerne af lavkoncentration Nb-doping, samt ingen doping, på overfladerekombinationen i SrTiO 3 krystaller. Prof. Kato forklarer, "Kvantitativ måling af virkningerne af overflader og niobium urenheder i SrTiO 3 på carrier rekombination kan hjælpe os med at designe fotokatalysatorer med en optimal struktur til kunstig fotosyntese."
Figuren viser μ-PCD henfaldskurver for de udopede prøver exciteret af 266- eller 355-nm-laseren. Den stiplede linje er den beregnede henfaldskurve med τB =90 ns og S =106 cm/s. Kredit:Masashi Kato fra Nagoya Institute of Technology
Forskerne analyserede først overfladerekombinationen, eller "henfald" -mønstre af udopede SrTiO 3 prøver såvel som dem, der er dopet med forskellige koncentrationer af Nb, ved hjælp af en teknik kaldet mikrobølgefotokonduktivitetsforfald. For yderligere at undersøge bulkcarrier-rekombinationsegenskaberne af doterede prøver og forskellige energiniveauer introduceret af Nb-doping, en anden teknik kaldet tidsopløst fotoluminescens blev brugt.
Forskerne fandt ud af, at rekombinationen af exciterede bærere ikke var afhængig af deres koncentration, hvilket indikerer, at de rekombinerede via overflade- og Shockley-Read-Hall-processer (som er ufølsomme over for exciterende bærerkoncentration). I øvrigt, den dopede prøve viste hurtigere henfaldskurver, hvilket kan skyldes introduktionen af et rekombinationscenter ved Nb -doping. Doping af materialet med høje koncentrationer af Nb viste negative effekter på bærerdoping. I øvrigt, størrelsen af fotokatalysatoren, og ikke dens form, påvirket overfladerekombination og i sidste ende dens samlede effektivitet.
Undersøgelsen konkluderede, at moderat Nb-dopet SrTiO 3 kunne faktisk være mere gavnlig end ren SrTiO 3 , især ved drift ved højere driftstemperaturer. Disse fund kan hjælpe os med at designe SrTiO 3 fotokatalysatorer med en lavere overfladerekombination og højere energiomdannelse, fører til udvikling af effektive, bæredygtige energikilder.
Prof. Kato konkluderer optimistisk, "Vi er overbeviste om, at vores fund kan fremskynde udviklingen af kunstige fotosynteseteknologier, i sidste ende bidrage til en grønnere, et mere bæredygtigt samfund. "
Sidste artikelStopper svovl-shuttlen for bedre batterier
Næste artikelLille teknik kan bringe store fremskridt inden for lægehjælp