Трехмерные полупроводниковые частицы обладают двумерными свойствами

Когда дело доходит до создания электроники следующего поколения, двумерные полупроводники имеют большое преимущество. Они быстрее, мощнее и эффективнее. Их также невероятно сложно изготовить.


У трехмерных полупроводниковых частиц тоже есть края – многие из них – с учетом их геометрически изменяющихся поверхностей. Исследователи из Корнелла обнаружили, что стыки на этих гранях имеют двумерные свойства, которые можно использовать для фотоэлектрохимических процессов, в которых свет используется для запуска химических реакций, которые могут способствовать развитию технологий преобразования солнечной энергии.

Это исследование, возглавляемое Пэн Ченом, профессором химии Питера Дж. В. Дебая в Колледже искусств и наук, может также принести пользу технологиям возобновляемой энергии, которые сокращают углекислый газ, превращают азот в аммиак и производят перекись водорода.

Документ группы «Эффекты межфасеточного соединения на фотоэлектродах твердых частиц» опубликован 24 декабря в Материалы Природы. Ведущий автор статьи – доктор наук Сяньвэнь Мао.

В своем исследовании исследователи сосредоточились на полупроводниковом ванадате висмута, частицы которого могут поглощать свет, а затем использовать эту энергию для окисления молекул воды – чистый способ производства водорода, а также кислорода.

Сами полупроводниковые частицы имеют анизотропную форму; то есть они имеют трехмерные поверхности, полные граней, наклоненных друг к другу и встречающихся на краях на поверхности частицы. Однако не все аспекты равны. Они могут иметь разную структуру, что, в свою очередь, приводит к разным уровням энергии и электронным свойствам.

«Поскольку они имеют разные уровни энергии, когда они соединяются на краю, возникает несоответствие, и это несоответствие дает вам переход», – сказал Чен. «Если бы у вас был чистый металл, у него не было бы этого свойства».

Используя пару методов визуализации с высоким пространственным разрешением, Мао и Чен измерили фотоэлектрохимический ток и поверхностные реакции в нескольких точках на каждой грани и на грани между ними, а затем использовали кропотливый количественный анализ данных для картирования переходных изменений.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что трехмерные частицы действительно могут обладать электронными свойствами двумерных материалов, в которых переход происходит постепенно через так называемую переходную зону возле края, где сходятся грани – открытие, которое было никогда не предполагалось и не могло быть обнаружено без изображений с высоким разрешением.