Halfgeleider-nanostructuren staan ​​op het punt een grote rol te spelen in toekomstige door zonne-energie aangedreven waterstofgeneratiesystemen, volgens een nieuwe studie door onderzoekers van het A*STAR Institute of High Performance Computing. Hui Pan en Yong-Wei Zhang melden dat modelinterfaces gemaakt van galliumnitride (GaN) en zinkoxide (ZnO) halfgeleiders afstembare magnetische en lichtoogstmogelijkheden hebben - factoren die de fotokatalytische transformatie van water in waterstofbrandstof aanzienlijk kunnen verbeteren.

De meeste foto-elektrochemische cellen gebruiken titaniumdioxide-elektroden om licht te absorberen en watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstofgas. Maar omdat dit mineraal een grote bandgap heeft - een hoeveelheid energie die nodig is om fotoreacties te initiëren - reageren deze apparaten slechts op een klein deel van het zonnespectrum. Een veelbelovende manier om deze efficiëntie te vergroten, is met 'superrooster'-materialen die twee verschillende halfgeleiders in elkaar stapelen, nanometer dunne laagjes. De tweedimensionale kanalen die uit superroosters komen, lijken op geleidende nanodraden voor snelle beweging van de ladingsdrager. Bandgaps in deze hetero-nanostructuren hebben een aangetoonde afhankelijkheid van halfgeleidersamenstelling en laagdikte.

Pan en Zhang onderzochten superroosters op basis van gestapelde GaN- en ZnO-lagen, twee halfgeleiders met vergelijkbare elektronische en structurele eigenschappen die veel worden gebruikt in opto-elektronische apparaten. Met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen, ze optimaliseerden een periodiek GaN-ZnO-model superrooster (zie afbeelding). Deze berekeningen, die de ladings- en elektronenspintoestanden van materialen beschrijven, toonde aan dat de twee halfgeleiderlagen kristallijne nanodraadarrangementen vormden zonder magnetische eigenschappen.

Het duo introduceerde vervolgens systematisch kleine defecten - atomaire substituties die de kristalliniteit van halfgeleiders enigszins verstoren - in het GaN-ZnO-superrooster. Tot verbazing van Pan en Zhang, ze observeerden significant magnetisme bij verschillende soorten defectinterfaces. Volgens Pan, deze buitengewone activiteit is te wijten aan 'polaire discontinuïteiten' die ontstaan ​​wanneer positief geladen defecten negatieve ladingen op Ga-O-interfacepunten gedeeltelijk neutraliseren. Ongepaarde elektronen hopen zich vervolgens op rond Zn-N-verbindingen en genereren magnetische krachten die de ladingsscheiding en mobiliteit kunnen stimuleren tijdens de reactie die bekend staat als fotokatalyse.

De onderzoekers ontdekten ook dat geconstrueerde polaire discontinuïteiten de bandafstanden van halfgeleiders aanzienlijk kunnen veranderen door tussenliggende energieniveaus te genereren. Deze zones fungeren als 'stapstenen' die het gemakkelijker maken voor fotonen, of lichtdoorlatende deeltjes, om elektronen op te wekken voor watersplitsingsreacties. Pan merkt op dat zodra deze intrigerende eigenschappen van GaN-ZnO-nanostructuren zijn geverifieerd door laboratoriumstudies, de materialen kunnen toepassing vinden in zonnecellen die energie oogsten. "Als dit ontwerp zowel in theorie als experiment efficiënt blijkt te zijn, dan gaan we op zoek naar commerciële toepassingen door samen te werken met de industrie, " hij zegt.