Les nanostructures semi-conductrices sont sur le point de jouer un rôle important dans les futurs systèmes de production d'hydrogène à énergie solaire, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Institut A*STAR de calcul haute performance. Hui Pan et Yong-Wei Zhang rapportent que les interfaces de modèles fabriquées à partir de semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) et d'oxyde de zinc (ZnO) ont des capacités magnétiques et de récolte de lumière réglables, des facteurs qui peuvent grandement améliorer la transformation photocatalytique de l'eau en carburant hydrogène.

La plupart des cellules photoélectrochimiques utilisent des électrodes en dioxyde de titane pour absorber la lumière et diviser les molécules d'eau en hydrogène et oxygène gazeux. Mais parce que ce minéral a une large bande interdite - une mesure de l'énergie nécessaire pour initier des photoréactions - ces appareils ne répondent qu'à une infime fraction du spectre solaire. Une manière prometteuse d'augmenter cette efficacité consiste à utiliser des matériaux de « super-réseaux » qui empilent deux semi-conducteurs différents en alternance, couches nanométriques. Les canaux bidimensionnels qui émergent des super-réseaux ressemblent à des nanofils conducteurs pour un mouvement rapide des porteurs de charge. Les bandes interdites dans ces hétéro-nanostructures ont une dépendance démontrée sur la composition des semi-conducteurs et l'épaisseur de la couche.

Pan et Zhang ont étudié des super-réseaux basés sur des couches empilées de GaN et de ZnO, deux semi-conducteurs aux propriétés électroniques et structurelles similaires qui sont largement utilisés dans les dispositifs optoélectroniques. En utilisant les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, ils ont optimisé un super-réseau modèle GaN-ZnO périodique (voir image). Ces calculs, qui décrivent les états de charge et de spin électronique des matériaux, ont montré que les deux couches semi-conductrices formaient des arrangements de nanofils cristallins sans caractéristiques magnétiques.

Le duo a ensuite systématiquement introduit de petits défauts - des substitutions atomiques qui perturbent légèrement la cristallinité du semi-conducteur - dans le super-réseau GaN-ZnO. À la surprise de Pan et Zhang, ils ont observé un magnétisme important à plusieurs types d'interface de défaut. Selon Pan, cette activité extraordinaire est due aux « discontinuités polaires » qui se forment lorsque des défauts chargés positivement neutralisent partiellement les charges négatives aux points d'interface Ga–O. Les électrons non appariés s'accumulent ensuite autour des connexions Zn-N et génèrent des forces magnétiques qui peuvent augmenter la séparation des charges et la mobilité au cours de la réaction connue sous le nom de photocatalyse.

Les chercheurs ont également découvert que les discontinuités polaires artificielles pouvaient modifier considérablement les bandes interdites des semi-conducteurs en générant des niveaux d'énergie intermédiaires. Ces zones agissent comme des « tremplins » qui facilitent la tâche des photons, ou des particules transmettant la lumière, pour exciter les électrons pour les réactions de division de l'eau. Pan note qu'une fois ces propriétés intrigantes des nanostructures GaN-ZnO vérifiées par des études de laboratoire, les matériaux peuvent trouver une application dans les cellules solaires de récupération d'énergie. "Si cette conception s'avère efficace à la fois en théorie et en expérience, nous chercherions ensuite des applications commerciales en collaborant avec l'industrie, " il dit.