Titandioxid (TiO2) är ett av de mest lovande materialen för solceller och fotokatalys idag. Detta material förekommer i olika kristallina former, men den mest attraktiva för applikationer kallas "anatas". Trots decennier av studier om omvandling av det absorberade ljuset till elektriska laddningar i anatas TiO2, själva dess grundläggande elektroniska och optiska egenskaper var fortfarande okänd. EPFL -forskare, med nationella och internationella partners, har nu belyst problemet genom en kombination av banbrytande steady-state och ultrasnabba spektroskopiska tekniker, samt teoretiska beräkningar. Verket publiceras i Naturkommunikation .

Anatase TiO2 är involverat i ett brett spektrum av applikationer, allt från solceller och fotokatalys till självrengörande glasögon, och vatten- och luftrening. Alla dessa är baserade på absorption av ljus och dess efterföljande omvandling till elektriska laddningar. Med tanke på dess utbredda användning i olika applikationer, TiO2 har varit ett av de mest studerade materialen under 1900 -talet, både experimentellt och teoretiskt.

När ljuset lyser på ett halvledande material som TiO2, det genererar antingen fria negativa (elektroner) och positiva (hål) laddningar eller ett bundet neutralt elektronhålspar, kallas exciton. Excitons är av stort intresse eftersom de kan transportera både energi och avgifter på nanoskala nivå, och utgör grunden för ett helt område av nästa generations elektronik, kallas "excitonics". Problemet med TiO2 hittills är att vi inte har klart identifierat naturen och egenskaperna hos det fysiska objektet som absorberar ljus och karakteriserar dess egenskaper.

Gruppen av Majed Chergui på EPFL, tillsammans med nationella och internationella kollegor, har belyst denna långvariga fråga genom att använda en kombination av avancerade experimentella metoder:steady-state-vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), som kartlägger elektronernas energetik längs de olika axlarna i det fasta materialet; spektroskopisk ellipsometri, som bestämmer de fasta optiska egenskaperna med hög noggrannhet; och ultrasnabb tvådimensionell djup-ultraviolett spektroskopi, används för första gången i materialstudier, tillsammans med state-of-the-art första principer teoretiska verktyg.

De upptäckte att tröskeln för det optiska absorptionsspektrumet beror på en starkt bunden exciton, som uppvisar två anmärkningsvärda nya egenskaper:För det första, den är begränsad till ett tvådimensionellt (2D) plan för materialets tredimensionella gitter. Detta är det första sådana fall som någonsin rapporterats i kondenserat material. Och för det andra, denna 2D -exciton är stabil vid rumstemperatur och robust mot defekter, som det finns i alla typer av TiO2 - enkla kristaller, tunna filmer, och även nanopartiklar som används i enheter.

Denna "immunitet" för exciton mot långväga strukturella störningar och defekter innebär att den kan lagra den inkommande energin i form av ljus och leda den på nanoskala på ett selektivt sätt. Detta lovar en enorm förbättring jämfört med nuvarande teknik, där den absorberade ljusenergin förs bort som värme till kristallgitteret, vilket gör de konventionella excitationssystemen extremt ineffektiva.

Vidare, den nyupptäckta excitonen är mycket känslig för olika yttre och inre stimuli i materialet (temperatur, tryck, överskott av elektrontäthet), banar väg för en kraftfull, exakt och billigt detekteringsschema för sensorer med optisk avläsning.

"Med tanke på att det är billigt och enkelt att tillverka anatas TiO2 -material, dessa fynd är avgörande för många tillämpningar och därefter ", säger Majed Chergui. "Att veta hur elektriska laddningar genereras efter att ljus har absorberats är en viktig ingrediens för effektiva fotokatalysatorer."