Forskere skaber tynde film med pirrende elektroniske egenskaber

Forskere har skabt tynde film lavet af bariumzirconiumsulfid (BaZrS ₃ ) og bekræftede, at materialerne har dragende elektroniske og optiske egenskaber forudsagt af teoretikere.

Filmene kombinerer usædvanlig stærk lysabsorption med god ladningstransport – to kvaliteter, der gør dem ideelle til applikationer som solceller og lysdioder (LED'er).

I solpaneler, for eksempel, eksperimentelle resultater tyder på, at BaZrS ₃ film ville være meget mere effektive til at omdanne sollys til elektricitet end traditionelle siliciumbaserede materialer med identiske tykkelser, siger ledende forsker Hao Zeng, Ph.D., professor i fysik ved universitetet ved Buffalo College of Arts and Sciences. Dette kan sænke omkostningerne til solenergi, især fordi de nye film klarede sig beundringsværdigt, selv når de havde ufuldkommenheder. (At fremstille næsten fejlfrie materialer er typisk dyrere, Zeng forklarer.)

"I mange årtier, der har kun været en håndfuld halvledermaterialer, der er blevet brugt, med silicium som det dominerende materiale, " siger Zeng. "Vores tynde film åbner døren til en ny retning inden for halvlederforskning. Der er en chance for at udforske potentialet i en helt ny klasse af materialer."

Undersøgelsen blev offentliggjort i november i tidsskriftet Nano energi .

UB fysik Ph.D. studerende Xiucheng Wei og Haolei Hui var de første forfattere. Projektet - finansieret af et US Department of Energy (DOE) SunShot-pris og National Science Foundation (NSF) Sustainable Chemistry, Engineering and Materials Award-inkluderet bidrag fra forskere ved UB; Taiyuan Normal University, Southern University of Science &Technology, Xi'an Jiaotong Universitet og det kinesiske videnskabsakademi, alle i Kina; Los Alamos National Laboratory; og Rensselaer Polytekniske Institut.

Eksperimenter inspireret af teoretiske forudsigelser

BaZrS ₃ tilhører en kategori af materialer kendt som chalcogenide perovskites, som er ugiftige, jordrige forbindelser.

I de seneste år, teoretikere har beregnet, at forskellige chalcogenid-perovskitter skulle udvise nyttige elektroniske og optiske egenskaber, og disse forudsigelser har fanget interessen og fantasien hos eksperimentalister som Zeng.

BaZrS ₃ er ikke et helt nyt materiale. Zeng kiggede på bygningens historie, og fandt information, der går tilbage til 1950'erne.

"Det har eksisteret i mere end et halvt århundrede, " siger han. "Blandt tidligere forskning, et firma i Niagara Falls producerede det i pulverform. Jeg tror, ​​folk var lidt opmærksomme på det."

Men tynde film - ikke pulver - er nødvendige til applikationer som solceller og LED'er, så det er, hvad Zengs team satte sig for at skabe.

Forskerne lavede deres BaZrS ₃ film ved at bruge en laser til at opvarme og fordampe bariumzirconiumoxid. Dampen blev aflejret på en safir overflade, danne en film, og derefter omdannet til det endelige materiale gennem en kemisk reaktion kaldet svovldannelse.

"Halvlederforskning har traditionelt været stærkt fokuseret på konventionelle materialer, " siger Hui. "Dette er en mulighed for at udforske noget nyt. Chalcogenide perovskites deler nogle ligheder med de meget undersøgte halogenid perovskiter, men lider ikke af de sidstnævnte materialers toksicitet og ustabilitet."

"Nu hvor vi har en tynd film lavet af BaZrS ₃ , vi kan studere dets grundlæggende egenskaber, og hvordan det kan bruges i solpaneler, LED'er, optiske sensorer og andre applikationer, " siger Wei.