3D-halvlederpartikler tilbyder 2D-egenskaber

Når det kommer til at skabe næste generations elektronik, har todimensionelle halvledere en stor fordel. De er hurtigere, mere kraftfulde og mere effektive. De er også utrolig svære at fremstille.

Tredimensionelle halvlederpartikler har også en kant - mange af dem - givet deres geometrisk varierede overflader. Cornell-forskere har opdaget, at sammenføjningerne ved disse facetkanter har 2D-egenskaber, som kan udnyttes til fotoelektrokemiske processer - hvor lys bruges til at drive kemiske reaktioner - som kan booste solenergikonverteringsteknologier.

Denne forskning, ledet af Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi ved College of Arts and Sciences, kunne også gavne vedvarende energiteknologier, der reducerer kuldioxid, omdanner nitrogen til ammoniak og producerer hydrogenperoxid.

Gruppens papir, "Inter-Facet Junction Effects on Particulate Photoelectrodes," udgivet den 24. december i Nature Materials . Artiklens hovedforfatter er postdoc-forsker Xianwen Mao.

Til deres undersøgelse fokuserede forskerne på halvledervismutvanadatet, hvis partikler kan absorbere lys og derefter bruge denne energi til at oxidere vandmolekyler - en ren måde at generere brint såvel som oxygen på.

Selve halvlederpartiklerne er anisotropisk formede; det vil sige, at de har 3D-overflader, fulde af facetter vinklet mod hinanden og mødes i kanter på partikeloverfladen. Men ikke alle facetter er lige. De kan have forskellige strukturer, som igen resulterer i forskellige energiniveauer og elektroniske egenskaber.

"Fordi de har forskellige energiniveauer, når de slutter sig til en kant, er der et misforhold, og misforholdet giver dig en overgang," sagde Chen. "Hvis du havde et rent metal, ville det ikke have denne egenskab."

Ved at bruge et par billeddannelsesteknikker med høj rumlig opløsning målte Mao og Chen de fotoelektrokemiske strøm- og overfladereaktioner på flere punkter på tværs af hver facet og den tilstødende kant imellem, og brugte derefter omhyggelig kvantitativ dataanalyse til at kortlægge overgangsændringerne.

Forskerne var overraskede over at finde ud af, at de tredimensionelle partikler faktisk kan besidde de elektroniske egenskaber af todimensionelle materialer, hvor overgangen sker gradvist hen over den såkaldte overgangszone nær kanten, hvor facetterne konvergerer - et fund, der aldrig havde været forudset og kunne ikke være blevet afsløret uden billeddannelse i høj opløsning.

Mao og Chen antager, at bredden af ​​overgangszonen er sammenlignelig med størrelsen af ​​facetten. Det ville potentielt give forskere en måde at "tune" de elektroniske egenskaber og tilpasse partiklerne til fotokatalytiske processer. De kunne også tune egenskaberne ved at ændre bredden af ​​de nær-kants overgangszoner via kemisk doping.

"Den elektroniske egenskab er afhængig af, hvilke to facetter der konvergerer ved en kant. Nu kan du dybest set designe materialer, så to ønskede facetter smelter sammen. Så der er et designprincip," sagde Chen. "Du kan konstruere partiklen til bedre ydeevne, og du kan også dope materialet med nogle urenhedsatomer, hvilket ændrer den elektroniske egenskab for hver facet. Og det vil også ændre overgangen, der er forbundet med denne grænsefladeforbindelse. Dette peger virkelig på yderligere muligheder for tredimensionelle halvlederpartikler." + Udforsk yderligere

Facetkontrollerbar syntese af todimensionelle oxider af sjældne jordarter