Les scientifiques d'A*STAR ont créé un «guide du prospecteur» pour aider les chercheurs à localiser les meilleurs nanofils de germanium-silicium pour catalyser d'importantes réactions d'énergie propre.

En utilisant la lumière du soleil pour diviser l'eau en ses éléments constitutifs, ou pour convertir le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone ou en hydrocarbures, sont parmi les méthodes les plus viables pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Pour réaliser leur potentiel, les deux réactions d'énergie propre nécessitent des catalyseurs.

Le silicium est avantageux car ses propriétés sont bien étudiées et c'est un matériau abondant, mais la « bande interdite » entre ses bandes de conduction et de valence est trop étroite pour catalyser efficacement ces réactions. Cette déficience peut être surmontée de deux manières :en « nanosimant » le silicium ou en expérimentant différents alliages de silicium.

Maintenant, Teck Leong Tan et Man-Fai Ng de l'A*STAR Institute of High Performance Computing ont utilisé des simulations informatiques pour explorer l'effet de la variation du diamètre des nanofils germanium-silicium ainsi que le rapport silicium/germanium sur les propriétés catalytiques de l'alliage. .

Expliquer le but de l'étude, Tan dit, "nous avons pensé qu'en faisant varier à la fois le diamètre du nanofil et la composition de l'alliage, nous pourrions générer un plus grand espace de conception pour concevoir un matériau avec la bande interdite et les structures de bande optimales pour photocatalyser les réactions d'énergie propre telles que la division de l'eau solaire et la réduction du dioxyde de carbone. »

La paire a combiné trois méthodes de calcul établies pour effectuer leurs calculs :la théorie fonctionnelle de la densité, l'expansion des clusters et les simulations de Monte Carlo. Bien que cette combinaison de techniques ait déjà été utilisée, les chercheurs ont découvert une corrélation simple qui leur a permis de prédire avec précision les bandes interdites à l'aide de méthodes de calcul plus simples. Cela a considérablement réduit le coût de calcul, permettant de cribler plus de nanostructures d'alliages que d'habitude.

Les résultats indiquent que les nanofils de germanium-silicium d'un diamètre de trois nanomètres ou moins sont des photocatalyseurs appropriés à la fois pour la séparation de l'eau et la réduction du dioxyde de carbone. Leurs calculs prédisent également que les nanofils avec des structures cœur-coquille asymétriques (voir image) seront plus efficaces que ceux avec des structures symétriques conventionnelles. Finalement, les nanofils de diamètres compris entre 2 et 3 nanomètres doivent avoir des bandes interdites bien adaptées au spectre de la lumière solaire, ce qui en fait des moissonneuses-batteuses efficaces.

Selon Tan, cela démontre que "la combinaison des trois techniques fournit une méthodologie puissante pour le criblage à haut débit de nanostructures d'alliage pour les propriétés souhaitables. Elle peut être adaptée à d'autres applications pour accélérer la découverte de nouveaux matériaux."

Les deux scientifiques sont impatients de collaborer avec des expérimentateurs pour confirmer les prédictions générées par leurs calculs. Ils ont également l'intention d'appliquer la technique à d'autres alliages prometteurs de nanofils semi-conducteurs.