Als het gaat om het maken van elektronica van de volgende generatie, hebben tweedimensionale halfgeleiders een groot voordeel. Ze zijn sneller, krachtiger en efficiënter. Ze zijn ook ongelooflijk moeilijk te fabriceren.

Driedimensionale halfgeleiderdeeltjes hebben te veel een rand, gezien hun geometrisch gevarieerde oppervlakken. Cornell-onderzoekers hebben ontdekt dat de kruispunten aan deze facetranden 2D-eigenschappen hebben, die kunnen worden gebruikt voor foto-elektrochemische processen - waarbij licht wordt gebruikt om chemische reacties aan te sturen - die de conversietechnologieën van zonne-energie kunnen stimuleren.

Dit onderzoek, geleid door Peng Chen, de Peter J.W. Debye, hoogleraar scheikunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, kan ook profiteren van technologieën voor hernieuwbare energie die koolstofdioxide verminderen, stikstof omzetten in ammoniak en waterstofperoxide produceren.

Het artikel van de groep, "Inter-Facet Junction Effects on Particulate Photoelectrodes", gepubliceerd op 24 december in Nature Materials . De hoofdauteur van het artikel is postdoctoraal onderzoeker Xianwen Mao.

Voor hun onderzoek richtten de onderzoekers zich op het halfgeleiderbismutvanadaat, waarvan deeltjes licht kunnen absorberen en die energie vervolgens kunnen gebruiken om watermoleculen te oxideren - een schone manier om zowel waterstof als zuurstof te genereren.

De halfgeleiderdeeltjes zelf zijn anisotroop gevormd; dat wil zeggen, ze hebben 3D-oppervlakken, vol facetten die naar elkaar toe gericht zijn en elkaar ontmoeten aan randen op het deeltjesoppervlak. Niet alle facetten zijn echter gelijk. Ze kunnen verschillende structuren hebben die op hun beurt resulteren in verschillende energieniveaus en elektronische eigenschappen.

"Omdat ze verschillende energieniveaus hebben wanneer ze aan een rand samenkomen, is er een mismatch en de mismatch geeft je een overgang," zei Chen. "Als je een puur metaal had, zou het deze eigenschap niet hebben."

Met behulp van een paar beeldvormingstechnieken met hoge ruimtelijke resolutie maten Mao en Chen de foto-elektrochemische stroom- en oppervlaktereacties op meerdere punten over elk facet en de aangrenzende rand daartussen, en gebruikten vervolgens nauwgezette kwantitatieve gegevensanalyse om de overgangsveranderingen in kaart te brengen.

De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat de driedimensionale deeltjes daadwerkelijk de elektronische eigenschappen van tweedimensionale materialen kunnen bezitten, waarbij de overgang geleidelijk plaatsvindt over de zogenaamde overgangszone nabij de rand waar de facetten samenkomen - een bevinding die nooit eerder was voorzien en had niet kunnen worden onthuld zonder beeldvorming met hoge resolutie.

Mao en Chen veronderstellen dat de breedte van de overgangszone vergelijkbaar is met de grootte van het facet. Dat zou onderzoekers mogelijk een manier bieden om de elektronische eigenschappen te "afstemmen" en de deeltjes aan te passen voor fotokatalytische processen. Ze zouden de eigenschappen ook kunnen afstemmen door de breedte van de overgangszones aan de rand te veranderen via chemische doping.

"De elektronische eigenschap is afhankelijk van welke twee facetten aan een rand samenkomen. Nu kun je in principe materialen ontwerpen om twee gewenste facetten te laten samensmelten. Er is dus een ontwerpprincipe", zei Chen. "Je kunt het deeltje engineeren voor betere prestaties, en je kunt het materiaal ook dopen met wat onzuivere atomen, wat de elektronische eigenschap van elk facet verandert. En dat zal ook de overgang veranderen die is gekoppeld aan deze inter-facetovergang. Dit wijst echt op extra mogelijkheden voor driedimensionale halfgeleiderdeeltjes." + Verder verkennen

Facet controleerbare synthese van tweedimensionale zeldzame aardoxiden