Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben onlangs nieuwe eigenschappen van strontiumniobaat ontdekt, dat is een uniek halfgeleidermateriaal dat zowel geleiding van het metaaltype als fotokatalytische activiteit vertoont. De twee onderzoeken, die werden uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, en het Lawrence Berkeley National Laboratory, kondigen opwindende kansen aan voor het creëren van nieuwe apparaten met ongekende functionaliteiten en unieke toepassingen van een nieuwe familie van fotokatalytische materialen.

Dr Wan Dongyang, een onderzoeker van het NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) die betrokken was bij beide onderzoeken, zei, "De sleutel tot deze succesvolle studies was het vermogen van het NUSNNI-team om hoogwaardige kristallijne films van deze materialen te produceren die vervolgens werden bestudeerd door een verscheidenheid aan metingen om wetenschappelijke aanwijzingen te geven over hoe dergelijke materialen presteren onder verschillende omstandigheden."

Nieuwe familie van plasmonen ontdekt in onconventioneel metaal

In de eerste studie, de onderzoekers, die werden geleid door assistent-professor Andrivo Rusydi, en directeur van NUSNNI Professor T Venky Venkatesan, had ontdekt dat hoewel strontiumniobaat zeer metallisch van aard is vanwege een zeer grote populatie elektronen in het materiaal, wat typisch is voor de meeste metalen, het is nog steeds transparant bij de meeste foton-energieën, wat een uitzonderlijke eigenschap is die anders is dan de meeste metalen. Met behulp van spectroscopische technieken, het onderzoeksteam ontdekte dat deze unieke eigenschap voortkwam uit een intrinsieke plasmonische absorptie.

Dr. Teguh Citra Asmara, de eerste auteur van het artikel en ook een postdoctoraal onderzoeker bij NUSNNI, zei, "Van onze studies we ontdekten dat dit materiaal een halfgeleider is met een grote bandgap van vier elektronvolt. Op basis van ons begrip van halfgeleiders en het sterke metaalgedrag van dit materiaal, we hadden niet verwacht dat dit materiaal zichtbare fotonen zou absorberen, dus de resultaten die we hebben gevonden zijn inderdaad verrassend."

"Plasmonen zijn resonante oscillaties van een verzameling elektronen en komen meestal voor in een metalen vaste stof. Onder de juiste omstandigheden, fotonen kunnen ervoor zorgen dat deze plasmonen worden geëxciteerd in een vaste stof en in dit proces absorbeert de vaste stof de fotonenergie. Voordat ons team dit doorhad, dit materiaal werd verondersteld te bestaan ​​uit een kleinere bandgap, in de orde van twee elektronvolt, en een secundaire band daarboven van vergelijkbare energie, " legde prof Venkatesan uit.

In aanvulling, het onderzoeksteam ontdekte een nieuwe familie van plasmonen die op meerdere frequenties voorkomt. Deze nieuwe familie van plasmonen wordt zelfs waargenomen wanneer strontiumniobaat geen conventioneel metaal is.

Asst Prof Rusydi zei:"Deze nieuwe ontdekking opent nieuwe onderzoeksrichtingen en paden voor plasmonisch onderzoek, en stelt ons in staat om eerder ongebruikte isolerende en sterk gecorreleerde materialen te onderzoeken. We onderzoeken momenteel ook de mogelijke toepassingen van dit nieuwe type plasmonen."

Dit project is oorspronkelijk geïnitieerd door Dr. Zhao Yongliang als onderdeel van zijn proefschrift, en Dr. Wan Dongyang volgde het op als onderdeel van zijn proefschrift. Beiden voerden het project uit onder supervisie van prof. Venkatesan. De nieuwe bevindingen werden gerapporteerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie op 12 mei 2017.

'Watersplitters' om de ecologische voetafdruk te verkleinen

In de tweede studie NUS-onderzoekers onderzochten hoe strontiumniobaat water katalyseert. Het team, onder toezicht van Prof Venkatesan, ontdekte dat wanneer strontiumniobaat in contact komt met water onder zonnestraling, het halfgeleidermateriaal zou water in de bestanddelen van zuurstof en waterstof kunnen morsen. Deze studie, die ook werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de Nanyang Technological University, werd voor het eerst online gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie op 19 april 2017.

Prof Venkatesan legde uit, "Terwijl dit materiaal onder zonnestraling water omzet in waterstof, het mechanisme achter dit proces werd eerder verkeerd geïnterpreteerd als te wijten aan de hoge snelheid of mobiliteit van de elektronen in het materiaal. Onze fractie liet duidelijk zien dat dit niet het geval was. De gemeten elektronenmobiliteit was significant laag, maar het effect werd versterkt door de resonante absorptie van de zonnefotonen door de intrinsieke plasmonen die in dit materiaal aanwezig zijn."

De resultaten suggereren sterk een nieuwe benadering voor het ontwerpen van katalysatoren voor verschillende toepassingen, en het werk zou kunnen leiden tot nieuwe technieken om waterstof - een duurzame brandstof - uit water te winnen, dragen zo bij aan het verminderen van de CO2-voetafdruk.

"Bij NUSNNI, we hebben een groep die een familie van materialen heeft gevonden, afgezien van strontiumniobaat, die even goed werken als plasmonische watersplitters. Vooruit gaan, we werken aan het vinden van de juiste combinatie van fotokatalytische processen voor het produceren van bruikbare chemicaliën, " voegde prof. Venkatesan toe.