Was die Produktion von Elektronik der nächsten Generation angeht, besitzen zweidimensionale Halbleiter ein großes Potenzial. Sie sind schneller, leistungsfähiger und effizienter. Aber sie sind auch sehr schwer herzustellen.
Dreidimensionale Halbleiterteilchen haben ebenfalls viele Vorteile, wenn man ihre geometrisch vielfältigen Oberflächen betrachtet. Forscher der Cornell University haben entdeckt, dass die Verbindungsstellen an diesen Facettenrändern zweidimensionale Eigenschaften aufweisen, die für photoelektrochemische Prozesse verwendet werden können, welche die Umwandlungstechnologien für Sonnenenergie verbessern können. Bei photoelektrochemischen Prozessen wird Licht genutzt, um chemische Reaktionen anzustoßen.
Diese Studie wurde von Peng Chen geleitet und könnte auch für erneuerbare Energietechnologien von Nutzen sein, die Kohlenstoffdioxide reduzieren, Stickstoff in Ammoniak umwandeln und Wasserstoffperoxid produzieren. Chen ist der Peter J.W. Debye Professor of Chemistry am College of Arts and Sciences der Cornell University. Die Studie „Inter-Facet Junction Effects on Particulate Photoelectrodes“ wurde am 24. Dezember 2021 im Journal Nature Materials veröffentlicht. Der Hauptautor der Studie ist der Postdoktorand Xianwen Mao.
Für ihre Studie konzentrierten sich die Forscher auf den Halbleiter Bismutvanadat. Die Teilchen können Licht absorbieren und die Energie dann zur Oxidierung von Wassermolekülen verwenden – eine saubere Möglichkeit zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Halbleiterteilchen selbst sind anisotropisch geformt, das heißt, sie besitzen dreidimensionale Oberflächen voller Facetten, die gegeneinander geneigt sind und sich an den Kanten der Teilchenoberfläche treffen. Allerdings sind nicht alle Facetten gleich. Sie können unterschiedliche Strukturen aufweisen, die wiederum in verschiedenen Energiezuständen und elektronischen Eigenschaften resultieren.
„Weil sie bei der Verbindung an einer Kante unterschiedliche Energiezustände haben, gibt es eine Fehlpaarung und diese Fehlpaarung für zu einem Übergang“, sagte Chen. „Ein reines Metall hätte diese Eigenschaft nicht.“
Mit zwei hochauflösenden Abbildungsmethoden maßen Mao und Chen den photoelektischen Strom und die Oberflächenreaktionen an mehreren Punkten entlang jeder Facette und der verbindenden Kante dazwischen. Dann führten sie eine sorgfältige quantitative Datenanalyse durch, um die Übergangsveränderungen zu kartieren.
Die Wissenschaftler waren überrascht, als sie feststellten, dass die dreidimensionalen Teilchen tatsächlich die elektronischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien besitzen können, in denen der Übergang schrittweise entlang der sogenannten Übergangszone nahe der Kante zwischen den Facetten geschieht. Das ist eine Entdeckung, die unerwartet war und die ohne die hochauflösenden Bilder nicht möglich gewesen wäre.
Mao und Chen vermuten, dass die Breite der Übergangszone vergleichbar mit der Größe der Facette ist. Das würde Forschern vielleicht eine Möglichkeit geben, die elektronischen Eigenschaften zu justieren und die Teilchen für photokatalytische Prozesse anzupassen. Sie könnten auch die Eigenschaften justieren, indem sie die Breiten der randnahen Übergangszonen durch chemisches Dotieren verändern.
„Die elektronische Eigenschaft ist abhängig davon, welche beiden Facetten sich an einer Kante verbinden. Jetzt kann man im Grunde genommen Materialien entwerfen, um zwei gewünschte Facetten miteinander zu verbinden. Es gibt also ein Entwurfsprinzip“, sagte Chen. „Man kann die Teilchen für bessere Leistung optimieren und man kann das Material auch mit einigen Fremdatomen dotieren, was die elektronische Eigenschaft jeder Facette verändert. Und das wird wiederum den Übergang verändern, der mit dieser Verbindung zwischen den Facetten zusammenhängt. Das weist in eine Richtung mit weiteren Möglichkeiten für dreidimensionale Halbleiterteilchen.“
Die Studie wurde vom Basic Energy Sciences, Catalysis Science Program am Office of Sciences des U.S.-Energieministeriums unterstützt. Die Forscher nutzten das Cornell Center for Materials Research, das von der National Science Foundation unterstützt wird.
(THK)
Antworten