Voor vele jaren, onderzoekers hebben zich gericht op het ontwikkelen van technologieën die ons kunnen helpen de dreigende klimaatveranderingscrisis te bestrijden. Ze hebben één doel gemeen:het vinden van duurzame energiebronnen die de voor het milieu giftige fossiele brandstoffen kunnen vervangen. Fotokatalysatoren die een kunstmatig proces aandrijven dat fotosynthese repliceert (waarbij zonne-energie wordt omgezet in bruikbare materialen) zijn in dit opzicht veelbelovend, gezien het feit dat we in staat zijn om de technologie te ontwikkelen die daarvoor nodig is. Kristallijne materialen, zoals strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ), die kunnen dienen als fotokatalysatoren in zonne-apparaten, kan ons in de richting leiden.

SrTiO ₃ is ook om verschillende andere redenen aantrekkelijk, zoals de mogelijke toepassingen in resistieve schakelaars en brandstofcelcomponenten. Het veelzijdige karakter van SrTiO ₃ heeft natuurkundigen gemotiveerd om de verschillende materiaaleigenschappen in detail te bestuderen. Maar om dieper in te gaan op de eigenschappen van SrTiO ₃ , we moeten er wat meer over begrijpen.

Fotokatalytische materialen zoals SrTiO ₃ zijn meestal "gedoteerd" met chemicaliën zoals niobium (Nb) die helpen om hun elektrische eigenschappen te verbeteren. Maar een proces dat ladingsrecombinatie wordt genoemd, kan optreden in fotokatalysatoren, wat hun efficiëntie in de weg staat. In dit proces, in het materiaal aanwezige mobiele ladingdragers, zoals elektronen en gaten, bij blootstelling aan licht, elkaar kunnen vernietigen. Sommige onderzoeken hebben aangetoond dat ladingsrecombinatie wordt beïnvloed door de aanwezigheid van defecten in kristallen. Dus hoe beïnvloedt Nb-doping de materiaaleigenschappen van SrTiO ₃ ? Dit is precies wat een team van onderzoekers van het Nagoya Institute of Technology, Japan, onder leiding van prof. Masashi Kato, wilde weten.

In hun studie gepubliceerd in Journal of Physics D:Applied Physics , de onderzoekers keken naar de effecten van lage concentratie Nb-doping, evenals geen doping, op het oppervlak recombinatie in SrTiO ₃ Kristallen. Prof. Kato legt uit, "Kwantitatief meten van de effecten van oppervlakken en niobiumverontreinigingen in SrTiO ₃ over recombinatie van dragers kan ons helpen bij het ontwerpen van fotokatalysatoren met een optimale structuur voor kunstmatige fotosynthese."

De wetenschappers analyseerden eerst de oppervlakte-recombinatie, of "verval" patronen van ongedoteerde SrTiO ₃ monsters en monsters die zijn gedoteerd met verschillende concentraties Nb, met behulp van een techniek genaamd microgolf fotogeleidingsverval. Om de recombinatie-eigenschappen van bulkcarriers van gedoteerde monsters en verschillende energieniveaus die door Nb-doping zijn geïntroduceerd verder te onderzoeken, een andere techniek genaamd time-resolved fotoluminescentie werd gebruikt.

De onderzoekers ontdekten dat de recombinatie van aangeslagen dragers niet afhankelijk was van hun concentratie, wat aangeeft dat ze recombineerden via oppervlakte- en Shockley-Read-Hall-processen (die ongevoelig zijn voor opwindende dragerconcentratie). Bovendien, het gedoteerde monster vertoonde snellere vervalcurven, wat te wijten zou kunnen zijn aan de introductie van een recombinatiecentrum door Nb-doping. Doping van het materiaal met hoge concentraties Nb vertoonde negatieve effecten op dragerdoping. Bovendien, de grootte van de fotokatalysator, en niet zijn vorm, beïnvloedde oppervlakterecombinatie en uiteindelijk de algehele efficiëntie.

De studie concludeerde dat matig Nb-gedoteerde SrTiO ₃ zou zelfs voordeliger kunnen zijn dan pure SrTiO ₃ , vooral bij gebruik bij hogere bedrijfstemperaturen. Deze bevindingen kunnen ons helpen bij het ontwerpen van SrTiO ₃ fotokatalysatoren met een lagere oppervlakterecombinatie en hogere energieconversie, leiden tot de ontwikkeling van efficiënte, duurzame energiebronnen.

Prof. Kato concludeert optimistisch:"We zijn ervan overtuigd dat onze bevindingen de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthesetechnologieën kunnen versnellen, uiteindelijk bijdragen aan een groenere, duurzamere samenleving.”