Pendant de nombreuses années, les chercheurs se sont concentrés sur le développement de technologies qui peuvent nous aider à lutter contre la crise imminente du changement climatique. Ils ont un objectif commun :trouver des sources d'énergie durables qui peuvent remplacer les combustibles fossiles toxiques pour l'environnement. Les photocatalyseurs qui conduisent un processus artificiel qui reproduit la photosynthèse (dans laquelle l'énergie solaire est convertie en matériaux utiles) sont prometteurs à cet égard, étant donné que nous sommes en mesure de développer la technologie nécessaire pour eux. Matériaux cristallins, comme le titanate de strontium (SrTiO 3 ), qui peuvent servir de photocatalyseurs dans les dispositifs solaires, peut nous conduire dans la direction.

SrTiO 3 est attrayant pour diverses autres raisons aussi, telles que ses applications potentielles dans les commutateurs résistifs et les composants de piles à combustible. La nature polyvalente de SrTiO 3 a motivé les physiciens à étudier en détail les propriétés de ses divers matériaux. Mais pour approfondir les propriétés du SrTiO 3 , nous devons comprendre un peu plus à leur sujet.

Matériaux photocatalytiques tels que SrTiO 3 sont généralement « dopés » avec des produits chimiques comme le niobium (Nb) qui contribuent à améliorer leurs propriétés électriques. Mais un processus appelé recombinaison de charge peut se produire dans les photocatalyseurs, ce qui nuit à leur efficacité. Dans ce processus, porteurs de charges mobiles présents dans le matériau, comme les électrons et les trous, lorsqu'il est exposé à la lumière, peuvent s'annihiler mutuellement. Certaines études ont montré que la recombinaison de charges est affectée par la présence de défauts dans les cristaux. Alors, comment le dopage au Nb affecte-t-il les propriétés matérielles du SrTiO 3 ? C'est exactement ce qu'une équipe de chercheurs du Nagoya Institute of Technology, Japon, dirigé par le professeur Masashi Kato, voulu savoir.

Dans leur étude publiée dans Journal of Physics D :Physique appliquée , les chercheurs se sont penchés sur les effets d'un dopage au Nb à faible concentration, ainsi qu'aucun dopage, sur la recombinaison de surface en SrTiO 3 cristaux. Le professeur Kato explique, "Mesure quantitative des effets des surfaces et des impuretés de niobium dans SrTiO 3 sur la recombinaison des porteurs peut nous aider à concevoir des photocatalyseurs avec une structure optimale pour la photosynthèse artificielle."

Les scientifiques ont d'abord analysé la recombinaison de surface, ou modèles de "décroissance" de SrTiO non dopé 3 échantillons ainsi que ceux dopés avec différentes concentrations de Nb, en utilisant une technique appelée décroissance de la photoconductivité micro-ondes. Pour sonder davantage les propriétés de recombinaison des vraquiers d'échantillons dopés et les différents niveaux d'énergie introduits par le dopage au Nb, une autre technique appelée photoluminescence à résolution temporelle a été utilisée.

Les chercheurs ont découvert que la recombinaison des porteurs excités ne dépendait pas de leur concentration, indiquant qu'ils se sont recombinés via les processus de surface et Shockley-Read-Hall (qui sont insensibles à la concentration de porteurs excitants). De plus, l'échantillon dopé a montré des courbes de décroissance plus rapides, ce qui pourrait être dû à l'introduction d'un centre de recombinaison par dopage au Nb. Le dopage du matériau avec des concentrations élevées de Nb a montré des effets négatifs sur le dopage des porteurs. De plus, la taille du photocatalyseur, et non sa forme, a influencé la recombinaison de surface et finalement son efficacité globale.

L'étude a conclu que le SrTiO modérément dopé au Nb 3 pourrait en fait être plus bénéfique que le SrTiO pur 3 , en particulier lorsqu'il est utilisé à des températures de fonctionnement plus élevées. Ces résultats peuvent nous aider à concevoir SrTiO 3 photocatalyseurs avec une recombinaison de surface inférieure et une conversion d'énergie plus élevée, conduisant au développement de l'efficacité, sources d'énergie durables.

Le professeur Kato conclut avec optimisme :"Nous sommes convaincus que nos découvertes peuvent accélérer le développement de technologies de photosynthèse artificielle, contribuer à terme à un environnement plus vert, société plus durable."