Le nanostrutture a semiconduttore sono pronte a svolgere un ruolo importante nei futuri sistemi di generazione di idrogeno a energia solare, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing. Hui Pan e Yong-Wei Zhang riferiscono che le interfacce modello realizzate con semiconduttori di nitruro di gallio (GaN) e ossido di zinco (ZnO) hanno capacità magnetiche e di raccolta della luce regolabili, fattori che possono migliorare notevolmente la trasformazione fotocatalitica dell'acqua in idrogeno combustibile.

La maggior parte delle celle fotoelettrochimiche utilizza elettrodi al biossido di titanio per assorbire la luce e dividere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno. Ma poiché questo minerale ha un ampio gap di banda, una misura dell'energia necessaria per avviare le fotoreazioni, questi dispositivi rispondono solo a una piccola frazione dello spettro solare. Un modo promettente per aumentare questa efficienza è con materiali "superreticolo" che impilano due diversi semiconduttori in alternati, strati sottili di nanometri. I canali bidimensionali che emergono dai superreticoli assomigliano a nanofili conduttivi per un rapido movimento del portatore di carica. Bandgap in queste etero-nanostrutture hanno una dipendenza dimostrata dalla composizione del semiconduttore e dallo spessore dello strato.

Pan e Zhang hanno studiato i superreticoli basati su strati sovrapposti di GaN e ZnO, due semiconduttori con proprietà elettroniche e strutturali simili che sono ampiamente utilizzati nei dispositivi optoelettronici. Utilizzando i calcoli della teoria del funzionale della densità, hanno ottimizzato un superreticolo periodico modello GaN-ZnO (vedi immagine). Questi calcoli, che descrivono gli stati di carica e di spin elettronico dei materiali, ha mostrato che i due strati di semiconduttore formavano disposizioni di nanofili cristallini senza caratteristiche magnetiche.

Il duo ha quindi introdotto sistematicamente piccoli difetti - sostituzioni atomiche che interrompono leggermente la cristallinità dei semiconduttori - nel superreticolo GaN-ZnO. Con grande sorpresa di Pan e Zhang, hanno osservato un magnetismo significativo a diversi tipi di interfaccia di difetto. Secondo Pan, questa straordinaria attività è dovuta alle 'discontinuità polari' che si formano quando i difetti con carica positiva neutralizzano parzialmente le cariche negative nei punti di interfaccia Ga–O. Gli elettroni spaiati si accumulano quindi attorno alle connessioni Zn-N e generano forze magnetiche che possono aumentare la separazione di carica e la mobilità durante la reazione nota come fotocatalisi.

I ricercatori hanno anche scoperto che le discontinuità polari ingegnerizzate potrebbero alterare in modo significativo i gap di banda dei semiconduttori generando livelli di energia intermedi. Queste zone fungono da "trampolini di lancio" che rendono più facile per i fotoni, o particelle che trasmettono luce, per eccitare gli elettroni per le reazioni di scissione dell'acqua. Pan osserva che una volta verificate queste intriganti proprietà delle nanostrutture GaN-ZnO attraverso studi di laboratorio, i materiali possono trovare applicazione nelle celle solari per la raccolta di energia. "Se questo progetto si dimostra efficiente sia in teoria che in esperimento, cercheremmo poi applicazioni commerciali collaborando con l'industria, " lui dice.