La ricombinazione di carica si verifica quando i portatori di carica mobili presenti nel materiale che sono esposti alla luce si annichilano a vicenda e possono ostacolare l'efficienza energetica del fotocatalizzatore. Credito:Masashi Kato del Nagoya Institute of Technology
Per molti anni, i ricercatori si sono concentrati sullo sviluppo di tecnologie che possono aiutarci a combattere l'imminente crisi del cambiamento climatico. Hanno un obiettivo in comune:trovare fonti energetiche sostenibili che possano sostituire i combustibili fossili tossici per l'ambiente. I fotocatalizzatori che guidano un processo artificiale che replica la fotosintesi (in cui l'energia solare viene convertita in materiali utili) sono promettenti in questo senso, dato che siamo in grado di sviluppare la tecnologia necessaria per loro. Materiali cristallini, come il titanato di stronzio (SrTiO 3 ), che possono fungere da fotocatalizzatori nei dispositivi solari, può condurci nella direzione.
SrTiO 3 è attraente anche per vari altri motivi, come le sue potenziali applicazioni negli interruttori resistivi e nei componenti delle celle a combustibile. La natura versatile di SrTiO 3 ha motivato i fisici a studiare in dettaglio le sue varie proprietà dei materiali. Ma per approfondire le proprietà di SrTiO 3 , dobbiamo capirne un po' di più.
Materiali fotocatalitici come SrTiO 3 sono solitamente "drogate" con sostanze chimiche come il niobio (Nb) che aiutano a migliorare le loro proprietà elettriche. Ma un processo chiamato ricombinazione di carica può verificarsi nei fotocatalizzatori, che ostacola la loro efficienza. In questo processo, portatori di carica mobili presenti nel materiale, come elettroni e lacune, quando esposto alla luce, possono annichilirsi a vicenda. Alcuni studi hanno dimostrato che la ricombinazione di carica è influenzata dalla presenza di difetti nei cristalli. Quindi, in che modo il drogaggio di Nb influisce sulle proprietà del materiale di SrTiO 3 ? Questo è esattamente ciò che un team di ricercatori del Nagoya Institute of Technology, Giappone, guidato dal Prof. Masashi Kato, voluto scoprire.
Nel loro studio pubblicato in Journal of Physics D:Fisica Applicata , i ricercatori hanno esaminato gli effetti del doping di Nb a bassa concentrazione, così come niente doping, sulla ricombinazione superficiale in SrTiO 3 cristalli. Il Prof. Kato spiega, "Misurazione quantitativa degli effetti delle superfici e delle impurità di niobio in SrTiO 3 sulla ricombinazione dei portatori può aiutarci a progettare fotocatalizzatori con una struttura ottimale per la fotosintesi artificiale".
La figura mostra le curve di decadimento μ-PCD per i campioni non drogati eccitati dal laser a 266 o 355 nm. La linea tratteggiata è la curva di decadimento calcolata con τB =90 ns e S =106 cm/s. Credito:Masashi Kato del Nagoya Institute of Technology
Gli scienziati hanno prima analizzato la ricombinazione superficiale, o modelli di "decadimento" di SrTiO . non drogato 3 campioni così come quelli drogati con diverse concentrazioni di Nb, utilizzando una tecnica chiamata decadimento della fotoconduttività a microonde. Per sondare ulteriormente le proprietà di ricombinazione del bulk carrier di campioni drogati e i diversi livelli di energia introdotti dal drogaggio con Nb, è stata utilizzata un'altra tecnica chiamata fotoluminescenza risolta nel tempo.
I ricercatori hanno scoperto che la ricombinazione dei portatori eccitati non dipendeva dalla loro concentrazione, indicando che si sono ricombinati tramite processi di superficie e Shockley-Read-Hall (che sono insensibili alla concentrazione di portatori eccitanti). Inoltre, il campione drogato ha mostrato curve di decadimento più veloci, che potrebbe essere dovuto all'introduzione di un centro di ricombinazione da Nb doping. Il drogaggio del materiale con alte concentrazioni di Nb ha mostrato effetti negativi sul drogaggio del vettore. Inoltre, la dimensione del fotocatalizzatore, e non la sua forma, influenzato la ricombinazione superficiale e, infine, la sua efficienza complessiva.
Lo studio ha concluso che SrTiO . moderatamente drogato con Nb 3 potrebbe effettivamente essere più vantaggioso del puro SrTiO 3 , soprattutto se utilizzato a temperature di esercizio più elevate. Questi risultati possono aiutarci a progettare SrTiO 3 fotocatalizzatori con una ricombinazione superficiale inferiore e una maggiore conversione di energia, che porta allo sviluppo di efficienti, fonti di energia sostenibili.
Il Prof. Kato conclude ottimisticamente, "Siamo fiduciosi che i nostri risultati possano accelerare lo sviluppo di tecnologie di fotosintesi artificiale, contribuendo in definitiva a un più verde, società più sostenibile”.
