Wetenschappers hebben dunne films gemaakt van bariumzirkoniumsulfide (BaZrS ₃ ) en bevestigde dat de materialen verleidelijke elektronische en optische eigenschappen hebben die door theoretici waren voorspeld.

De films combineren een uitzonderlijk sterke lichtabsorptie met een goed ladingstransport - twee eigenschappen die ze ideaal maken voor toepassingen zoals fotovoltaïsche energie en light-emitting diodes (LED's).

Bij zonnepanelen, bijvoorbeeld, experimentele resultaten suggereren dat BaZrS ₃ films zouden veel efficiënter zijn in het omzetten van zonlicht in elektriciteit dan traditionele op silicium gebaseerde materialen met identieke diktes, zegt hoofdonderzoeker Hao Zeng, doctoraat, hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Buffalo College of Arts and Sciences. Dit kan de kosten voor zonne-energie verlagen, vooral omdat de nieuwe films bewonderenswaardig presteerden, zelfs als ze onvolkomenheden vertoonden. (Het vervaardigen van bijna onberispelijke materialen is doorgaans duurder, Zeng legt uit.)

"Al tientallen jaren er zijn slechts een handvol halfgeleidermaterialen gebruikt, waarbij silicium het dominante materiaal is, Zeng zegt. "Onze dunne films openen de deur naar een nieuwe richting in halfgeleideronderzoek. Er is een kans om het potentieel van een geheel nieuwe klasse materialen te verkennen."

De studie werd in november gepubliceerd in het tijdschrift Nano-energie .

UB natuurkunde Ph.D. studenten Xiucheng Wei en Haolei Hui waren de eerste auteurs. Het project - gefinancierd door een SunShot-prijs van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de National Science Foundation (NSF) Sustainable Chemistry, Engineering and Materials award - inclusief bijdragen van onderzoekers van de UB; Taiyuan Normale Universiteit, Zuidelijke Universiteit voor Wetenschap &Technologie, Xi'an Jiaotong University en de Chinese Academie van Wetenschappen, allemaal in China; Los Alamos Nationaal Laboratorium; en Rensselaer Polytechnisch Instituut.

Experimenten geïnspireerd door theoretische voorspellingen

BaZrS ₃ behoort tot een categorie materialen die bekend staat als chalcogenide perovskieten, die niet giftig zijn, aarde-overvloedige verbindingen.

In recente jaren, theoretici hebben berekend dat verschillende chalcogenide-perovskieten nuttige elektronische en optische eigenschappen zouden moeten vertonen, en deze voorspellingen hebben de interesse en verbeeldingskracht gewekt van experimentatoren zoals Zeng.

BaZrS ₃ is geen totaal nieuw materiaal. Zeng keek in de geschiedenis van de compound, en vond informatie die teruggaat tot de jaren 1950.

"Het bestaat al meer dan een halve eeuw, "zegt hij. "Onder eerder onderzoek, een bedrijf in Niagara Falls produceerde het in poedervorm. Ik denk dat mensen er weinig aandacht aan besteedden."

Maar dunne films - geen poeder - zijn nodig voor toepassingen zoals fotovoltaïsche en LED's, dus dat is wat het team van Zeng wilde creëren.

De onderzoekers maakten hun BaZrS ₃ films door een laser te gebruiken om bariumzirkoniumoxide op te warmen en te verdampen. De damp werd afgezet op een saffieroppervlak, een film vormen, en vervolgens omgezet in het uiteindelijke materiaal via een chemische reactie die zwaveling wordt genoemd.

"Onderzoek naar halfgeleiders is van oudsher sterk gericht op conventionele materialen, Hui zegt. "Dit is een kans om iets nieuws te ontdekken. Chalcogenide-perovskieten hebben enkele overeenkomsten met de veel onderzochte halide-perovskieten, maar geen last hebben van de giftigheid en instabiliteit van laatstgenoemde materialen."

"Nu we een dunne film hebben gemaakt van BaZrS ₃ , we kunnen de fundamentele eigenschappen ervan bestuderen en hoe het kan worden gebruikt in zonnepanelen, LED's, optische sensoren en andere toepassingen, "zegt Wei.