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Quando si tratta di creare elettronica di nuova generazione, i semiconduttori bidimensionali hanno un grande vantaggio. Sono più veloci, più potenti e più efficienti. Sono anche incredibilmente difficili da fabbricare.
Anche le particelle semiconduttrici tridimensionali hanno un vantaggio, molte di esse, date le loro superfici geometricamente diverse. I ricercatori della Cornell hanno scoperto che le giunture su questi bordi delle faccette hanno proprietà 2D, che possono essere sfruttate per processi fotoelettrochimici, in cui la luce viene utilizzata per guidare reazioni chimiche, che possono potenziare le tecnologie di conversione dell'energia solare.
Questa ricerca, guidata da Peng Chen, Peter J.W. Debye Professore di Chimica presso il College of Arts and Sciences, potrebbe anche beneficiare delle tecnologie di energia rinnovabile che riducono l'anidride carbonica, convertono l'azoto in ammoniaca e producono perossido di idrogeno.
Il documento del gruppo, "Inter-Facet Junction Effects on Particulate Photoelectrodes", pubblicato il 24 dicembre su Nature Materials . L'autore principale del documento è il ricercatore post-dottorato Xianwen Mao.
Per il loro studio, i ricercatori si sono concentrati sul vanadato di bismuto semiconduttore, le cui particelle possono assorbire la luce e quindi utilizzare quell'energia per ossidare le molecole d'acqua, un modo pulito per generare idrogeno oltre che ossigeno.
Le stesse particelle semiconduttrici sono di forma anisotropica; cioè, hanno superfici 3D, piene di sfaccettature angolate l'una verso l'altra e che si incontrano ai bordi della superficie della particella. Tuttavia, non tutte le sfaccettature sono uguali. Possono avere diverse strutture che, a loro volta, si traducono in diversi livelli di energia e proprietà elettroniche.
"Poiché hanno livelli di energia diversi quando si uniscono su un bordo, c'è una discrepanza e la discrepanza ti dà una transizione", ha detto Chen. "Se avessi un metallo puro, non avrebbe questa proprietà."
Utilizzando un paio di tecniche di imaging ad alta risoluzione spaziale, Mao e Chen hanno misurato la corrente fotoelettrochimica e le reazioni di superficie in più punti su ciascuna sfaccettatura e il bordo adiacente nel mezzo, quindi hanno utilizzato un'accurata analisi quantitativa dei dati per mappare i cambiamenti di transizione.
I ricercatori sono rimasti sorpresi di scoprire che le particelle tridimensionali possono effettivamente possedere le proprietà elettroniche dei materiali bidimensionali, in cui la transizione avviene gradualmente attraverso la cosiddetta zona di transizione vicino al bordo in cui convergono le sfaccettature, una scoperta che non era mai stata stato immaginato e non avrebbe potuto essere rivelato senza immagini ad alta risoluzione.
Mao e Chen ipotizzano che la larghezza della zona di transizione sia paragonabile alla dimensione della sfaccettatura. Ciò potrebbe potenzialmente fornire ai ricercatori un modo per "sintonizzare" le proprietà elettroniche e personalizzare le particelle per i processi fotocatalitici. Potrebbero anche ottimizzare le proprietà modificando le larghezze delle zone di transizione vicino al bordo tramite drogaggio chimico.
"La proprietà elettronica dipende da quali due sfaccettature stanno convergendo su un bordo. Ora, in pratica, puoi progettare materiali in modo che le due sfaccettature desiderate si uniscano. Quindi c'è un principio di progettazione", ha detto Chen. "Puoi progettare la particella per prestazioni migliori e puoi anche drogare il materiale con alcuni atomi di impurità, il che cambia le proprietà elettroniche di ciascuna sfaccettatura. E questo cambierà anche la transizione associata a questa giunzione tra le facce. Questo indica davvero che ulteriori opportunità per particelle di semiconduttori tridimensionali." + Esplora ulteriormente
