Forskare från National University of Singapore (NUS) avslöjade nyligen nya egenskaper hos strontiumniobat, som är ett unikt halvledarmaterial som visar både metallisk ledning och fotokatalytisk aktivitet. De två studierna, som genomfördes i samarbete med forskare från University of California, Berkeley, och Lawrence Berkeley National Laboratory, varar spännande möjligheter för skapandet av nya enheter med oöverträffade funktioner samt unika tillämpningar av en ny familj av fotokatalytiska material.

Dr Wan Dongyang, en forskare från NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) som var inblandad i både forskning, sa, "Nyckeln till dessa framgångsrika studier var förmågan hos NUSNNI-teamet att producera högkvalitativa kristallina filmer av dessa material som sedan studerades med olika mätningar för att ge vetenskapliga ledtrådar om hur sådana material fungerar under olika förhållanden."

Ny familj av plasmoner avslöjade i okonventionell metall

I den första studien, forskarna, som leddes av adjunkt Andrivo Rusydi, och direktör för NUSNNI professor T Venky Venkatesan, hade funnit att medan strontiumniobat är mycket metalliskt till sin natur på grund av en mycket stor elektronpopulation i materialet, som är typisk för de flesta metaller, det är fortfarande transparent vid de flesta fotonergier, vilket är en exceptionell egenskap som till skillnad från de flesta metaller. Med hjälp av spektroskopiska tekniker, forskargruppen upptäckte att denna unika egenskap härrör från en inneboende plasmonisk absorption.

Dr Teguh Citra Asmara, den första författaren till uppsatsen och även en postdoktoral forskare vid NUSNNI, sa, "Från våra studier, vi fann att detta material är en halvledare med en stor bandgap på fyra elektronvolt. Baserat på vår förståelse av halvledare och materialets starka metalliska beteende, vi förväntade oss inte att detta material skulle absorbera några synliga fotoner, så de resultat vi hittade är verkligen förvånande. "

"Plasmoner är resonanta svängningar av en samling elektroner och förekommer vanligtvis i ett metalliskt fast ämne. Under rätt förhållanden, fotoner kan få dessa plasmoner att exciteras i ett fast ämne och i denna process absorberar det fasta fotonenergin. Innan vårt team fattade detta, detta material antogs bestå av en mindre bandgap, i storleksordningen två elektronvolter, och ett sekundärt band ovanför jämförbar energi, "förklarade prof Venkatesan.

Dessutom, forskargruppen upptäckte en ny familj av plasmoner som förekommer vid flera frekvenser. Denna nya familj av plasmoner observeras även när strontiumniobat inte är en konventionell metall.

Asst prof Rusydi sa, "Denna nya upptäckt öppnar nya forskningsriktningar och vägar för plasmonisk forskning, och gör att vi kan titta på tidigare outnyttjade isolerande och starkt korrelerade material. Vi studerar också för närvarande de möjliga tillämpningarna av denna nya typ av plasmoner. "

Detta projekt initierades ursprungligen av Dr Zhao Yongliang som en del av hans doktorsavhandling, och Dr Wan Dongyang följde upp det som en del av sin doktorsavhandling. Båda genomförde projektet under överinseende av prof Venkatesan. De nya fynden rapporterades i prestigefylld vetenskaplig tidskrift Naturkommunikation den 12 maj 2017.

"Vattenspridare" för att minska koldioxidavtrycket

I den andra studien, NUS -forskare undersökte hur strontiumniobat katalyserar vatten. Laget, övervakad av prof Venkatesan, fann att när strontiumniobat är i kontakt med vatten under solbestrålning, halvledarmaterialet skulle kunna spilla ut vatten i dess beståndsdelar av syre och väte. Den här studien, som också genomfördes i samarbete med forskare från Nanyang Technological University, publicerades först online i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation den 19 april 2017.

Prof Venkatesan förklarade, "Medan detta material omvandlar vatten till väte under solbestrålning, mekanismen bakom denna process misstolkades tidigare som att den berodde på elektronernas höga hastighet eller rörlighet i materialet. Vår grupp visade tydligt att så inte var fallet. Den uppmätta elektronmobiliteten var signifikant låg, men effekten förstärktes av den resonanta absorptionen av solfotonerna av de inneboende plasmonerna som finns i detta material. "

Resultaten tyder starkt på en ny metod för att utforma katalysatorer för olika tillämpningar, och arbetet kan leda till nya tekniker för skörd av väte - ett hållbart bränsle - från vatten, bidrar därför till att minska koldioxidavtrycket.

"På NUSNNI, vi har en grupp som har hittat en familj av material, bortsett från strontiumniobat, som fungerar lika bra som plasmoniska vattenspridare. Går vidare, vi arbetar för att hitta rätt kombination av fotokatalytisk process för att producera användbara kemikalier, "tillade prof Venkatesan.