Lorsqu'il s'agit de créer de l'électronique de nouvelle génération, les semi-conducteurs bidimensionnels ont un grand avantage. Ils sont plus rapides, plus puissants et plus efficaces. Ils sont aussi incroyablement difficiles à fabriquer.

Les particules semi-conductrices tridimensionnelles ont également un bord - beaucoup d'entre elles - compte tenu de leurs surfaces géométriquement variées. Les chercheurs de Cornell ont découvert que les jonctions au niveau de ces bords de facettes ont des propriétés 2D, qui peuvent être exploitées pour des processus photoélectrochimiques (dans lesquels la lumière est utilisée pour déclencher des réactions chimiques) qui peuvent stimuler les technologies de conversion de l'énergie solaire.

Cette recherche, dirigée par Peng Chen, le Peter J.W. Debye, professeur de chimie au Collège des arts et des sciences, pourrait également bénéficier des technologies d'énergie renouvelable qui réduisent le dioxyde de carbone, convertissent l'azote en ammoniac et produisent du peroxyde d'hydrogène.

L'article du groupe, "Inter-Facet Junction Effects on Particulate Photoelectrodes", publié le 24 décembre dans Nature Materials . L'auteur principal de l'article est le chercheur postdoctoral Xianwen Mao.

Pour leur étude, les chercheurs se sont concentrés sur le vanadate de bismuth semi-conducteur, dont les particules peuvent absorber la lumière, puis utiliser cette énergie pour oxyder les molécules d'eau, un moyen propre de générer de l'hydrogène et de l'oxygène.

Les particules semi-conductrices elles-mêmes ont une forme anisotrope; c'est-à-dire qu'ils ont des surfaces 3D, pleines de facettes inclinées les unes vers les autres et se rejoignant sur les bords de la surface des particules. Cependant, toutes les facettes ne sont pas égales. Ils peuvent avoir différentes structures qui, à leur tour, se traduisent par des niveaux d'énergie et des propriétés électroniques différents.

"Parce qu'ils ont des niveaux d'énergie différents lorsqu'ils se rejoignent à un bord, il y a un décalage, et le décalage vous donne une transition", a déclaré Chen. "Si vous aviez un métal pur, il n'aurait pas cette propriété."

À l'aide d'une paire de techniques d'imagerie à haute résolution spatiale, Mao et Chen ont mesuré le courant photoélectrochimique et les réactions de surface à plusieurs points sur chaque facette et le bord adjacent entre les deux, puis ont utilisé une analyse quantitative minutieuse des données pour cartographier les changements de transition.

Les chercheurs ont été surpris de découvrir que les particules tridimensionnelles peuvent en fait posséder les propriétés électroniques des matériaux bidimensionnels, dans lesquels la transition se produit progressivement à travers la soi-disant zone de transition près du bord où les facettes convergent - une découverte qui n'avait jamais été été imaginé et n'aurait pas pu être révélé sans imagerie haute résolution.

Mao et Chen émettent l'hypothèse que la largeur de la zone de transition est comparable à la taille de la facette. Cela donnerait potentiellement aux chercheurs un moyen de « régler » les propriétés électroniques et de personnaliser les particules pour les processus photocatalytiques. Ils pourraient également ajuster les propriétés en modifiant la largeur des zones de transition proches des bords via un dopage chimique.

"La propriété électronique dépend des deux facettes qui convergent sur un bord. Désormais, vous pouvez essentiellement concevoir des matériaux pour que deux facettes souhaitées fusionnent. Il existe donc un principe de conception", a déclaré Chen. "Vous pouvez concevoir la particule pour de meilleures performances, et vous pouvez également doper le matériau avec des atomes d'impuretés, ce qui modifie la propriété électronique de chaque facette. Et cela modifiera également la transition associée à cette jonction inter-facettes. Cela indique vraiment opportunités supplémentaires pour les particules semi-conductrices tridimensionnelles." + Explorer plus loin

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