Titaandioxide (TiO2) is tegenwoordig een van de meest veelbelovende materialen voor fotovoltaïsche energie en fotokatalyse. Dit materiaal verschijnt in verschillende kristallijne vormen, maar de meest aantrekkelijke voor toepassingen is "anatase". Ondanks tientallen jaren van studies over de omzetting van het geabsorbeerde licht in elektrische ladingen in anatase TiO2, de aard van zijn fundamentele elektronische en optische eigenschappen was nog onbekend. EPFL-wetenschappers, met nationale en internationale partners, hebben nu licht op het probleem geworpen door een combinatie van geavanceerde steady-state en ultrasnelle spectroscopische technieken, evenals theoretische berekeningen. Het werk is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Anatase TiO2 is betrokken bij een breed scala aan toepassingen, variërend van fotovoltaïsche en fotokatalyse tot zelfreinigende glazen, en water- en luchtzuivering. Al deze zijn gebaseerd op de absorptie van licht en de daaropvolgende omzetting in elektrische ladingen. Gezien het wijdverbreide gebruik in verschillende toepassingen, TiO2 is een van de meest bestudeerde materialen in de twintigste eeuw, zowel experimenteel als theoretisch.

Wanneer licht op een halfgeleidend materiaal zoals TiO2 schijnt, het genereert ofwel vrije negatieve (elektronen) en positieve (gaten) ladingen of een gebonden neutraal elektron-gat paar, een exciton genoemd. Excitonen zijn van groot belang omdat ze zowel energie als ladingen op nanoschaalniveau kunnen transporteren, en vormen de basis van een heel veld van elektronica van de volgende generatie, genaamd "excitoniek". Het probleem met TiO2 tot nu toe is dat we de aard en eigenschappen van het fysieke object dat licht absorbeert en de eigenschappen ervan niet duidelijk hebben kunnen identificeren.

De groep van Majed Chergui bij EPFL, samen met nationale en internationale collega's, hebben licht geworpen op deze al lang bestaande vraag door gebruik te maken van een combinatie van geavanceerde experimentele methoden:steady-state hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES), die de energieën van de elektronen langs de verschillende assen in de vaste stof in kaart brengt; spectroscopische ellipsometrie, die de optische eigenschappen van de vaste stof met hoge nauwkeurigheid bepaalt; en ultrasnelle tweedimensionale diep-ultraviolette spectroscopie, voor het eerst gebruikt in de studie van materialen, samen met state-of-the-art eerste-principes theoretische instrumenten.

Ze ontdekten dat de drempel van het optische absorptiespectrum te wijten is aan een sterk gebonden exciton, die twee opmerkelijke nieuwe eigenschappen vertoont:ten eerste, het is beperkt tot een tweedimensionaal (2D) vlak van het driedimensionale rooster van het materiaal. Dit is het eerste geval ooit gerapporteerd in gecondenseerde materie. En ten tweede, dit 2D-exciton is stabiel bij kamertemperatuur en robuust tegen defecten, zoals het aanwezig is in elk type TiO2-enkelvoudige kristallen, dunne films, en zelfs nanodeeltjes die in apparaten worden gebruikt.

Deze "immuniteit" van het exciton voor structurele wanorde en defecten op lange termijn houdt in dat het de binnenkomende energie in de vorm van licht kan opslaan en het op nanoschaal op een selectieve manier kan leiden. Dit belooft een enorme verbetering ten opzichte van de huidige technologie, waarbij de geabsorbeerde lichtenergie als warmte wordt afgevoerd naar het kristalrooster, waardoor de conventionele excitatieschema's extreem inefficiënt zijn.

Verder, het nieuw ontdekte exciton is erg gevoelig voor een verscheidenheid aan externe en interne stimuli in het materiaal (temperatuur, druk, overmatige elektronendichtheid), de weg vrijmaken voor een krachtige, nauwkeurig en goedkoop detectieschema voor sensoren met optische uitlezing.

"Aangezien het goedkoop en gemakkelijk is om anatase TiO2-materialen te fabriceren, deze bevindingen zijn cruciaal voor veel toepassingen en daarbuiten", zegt Majed Chergui. "Weten hoe elektrische ladingen worden gegenereerd nadat licht is geabsorbeerd, is een belangrijk ingrediënt voor efficiënte fotokatalysatoren."