Lagdelte halvledere med magnetiske grænseflader er potente katalysatorer til opsamling af solenergi, konvertering

Halvleder-nanostrukturer står klar til at spille en stor rolle i fremtidige solcelledrevne brintgenereringssystemer, ifølge en ny undersøgelse af forskere ved A*STAR Institute of High Performance Computing. Hui Pan og Yong-Wei Zhang rapporterer, at modelgrænseflader fremstillet af galliumnitrid (GaN) og zinkoxid (ZnO) halvledere har afstembare magnetiske og lyshøstende egenskaber-faktorer, der i høj grad kan forbedre den fotokatalytiske transformation af vand til brintbrændstof.

De fleste fotoelektrokemiske celler bruger titandioxidelektroder til at absorbere lys og opdele vandmolekyler i hydrogen og iltgas. Men fordi dette mineral har en stor båndgap - et mål for energi, der er nødvendigt for at starte fotoreaktioner - reagerer disse enheder kun på en lille brøkdel af solspektret. En lovende måde at øge denne effektivitet på er med 'superlattice' materialer, der stabler to forskellige halvledere i alternative, nanometer-tynde lag. De todimensionelle kanaler, der kommer fra supergitter, ligner ledende nanotråde til hurtig ladningsbærerbevægelse. Båndgab i disse hetero-nanostrukturer har en påvist afhængighed af halvleder-sammensætning og lagtykkelse.

Pan og Zhang undersøgte supergitter baseret på stablede GaN- og ZnO -lag, to halvledere med lignende elektroniske og strukturelle egenskaber, der er meget udbredt i optoelektroniske enheder. Ved hjælp af tæthed funktionelle teori beregninger, de optimerede en periodisk GaN – ZnO model supergitter (se billede). Disse beregninger, som beskriver ladning og elektron -spin -tilstande for materialer, viste, at de to halvlederlag dannede krystallinske nanotrådarrangementer uden magnetiske egenskaber.

Duoen introducerede derefter systematisk små defekter - atomiske substitutioner, der let forstyrrer halvlederkrystallinitet - i GaN – ZnO -supergitteret. Til Pan og Zhangs overraskelse, de observerede betydelig magnetisme ved flere typer defektgrænseflader. Ifølge Pan, denne ekstraordinære aktivitet skyldes 'polære diskontinuiteter', der opstår, når positivt ladede defekter delvis neutraliserer negative ladninger ved Ga – O -grænsefladepunkter. Uparrede elektroner akkumuleres derefter omkring Zn – N -forbindelser og genererer magnetiske kræfter, der kan øge ladningsseparation og mobilitet under reaktionen kendt som fotokatalyse.

Forskerne fandt også, at manipulerede polære diskontinuiteter kunne ændre halvlederbåndgab betydeligt ved at generere mellemliggende energiniveauer. Disse zoner fungerer som 'trædesten', der gør det lettere for fotoner, eller lysoverførende partikler at excitere elektroner til vandspaltningsreaktioner. Pan bemærker, at når disse spændende egenskaber ved GaN – ZnO nanostrukturer er verificeret gennem laboratorieundersøgelser, Materialerne kan finde anvendelse i energihøstende solceller. "Hvis dette design viser sig effektivt i både teori og eksperiment, vi ville derefter lede efter kommercielle applikationer ved at samarbejde med industrien, " han siger.