Att utnyttja solljusenergin kan vara så enkelt som att justera metalloxidernas optiska och elektroniska egenskaper på atomnivå genom att göra en konstgjord kristall eller supergitter "smörgås", säger en forskare från Binghamton University i en ny studie publicerad i tidskriften Fysisk granskning B .

"Metaloxider är billiga, riklig och 'grön, ", sa Louis Piper, biträdande professor i fysik vid Binghamton University. "Och som studien visade, ganska mångsidig. Med rätt beröring, metalloxider kan skräddarsys för att möta alla möjliga behov, vilket är goda nyheter för tekniska tillämpningar, speciellt inom energigenerering och platta skärmar."

Så här fungerar det:halvledare är en viktig klass av material mellan metaller och isolatorer. De definieras av storleken på deras bandgap, som representerar den energi som krävs för att excitera en elektron från det upptagna skalet till ett ledigt skal där den kan leda elektricitet. Synligt ljus täcker ett område på 1 (infrarött) till 3 (ultraviolett) elektronvolt. För transparenta ledare, ett stort bandgap krävs, medan för artificiell fotosyntes, ett bandgap som motsvarar grönt ljus behövs. Metalloxider ger ett sätt att skräddarsy bandgapet.

Men medan metalloxider är mycket bra på elektronledning, de är mycket dåliga "hål"-ledare. Hål hänvisar till frånvaro av elektroner, och kan leda positiv laddning. För att maximera deras tekniska potential, speciellt för artificiell fotosyntes och osynlig elektronik, hålledande metalloxider krävs.

Att veta detta, Piper har börjat studera skiktade metalloxidsystem, som kan kombineras för att selektivt "dopa" (ersätta ett litet antal av en typ av atom i materialet), eller 'tune' (kontrollera storleken på bandgapet). Nyligen arbete avslöjade att ett supergitter av två hålledande kopparoxider kunde täcka hela solspektrumet. Målet är att förbättra prestandan samtidigt som man använder miljövänliga och billiga metallalternativ.

Till exempel, indiumoxid är en av de mest använda oxiderna som används vid tillverkning av beläggningar för platta skärmar och solceller. Den kan leda elektroner riktigt bra och är transparent. Men det är också sällsynt och väldigt dyrt. Pipers nuvarande forskning syftar till att använda mycket billigare tennoxidskikt för att få elektron- och hålledning med optisk transparens.

Men enligt Piper, hans forskning visar att en handske inte passar alla ändamål.

"Det kommer att bli ett fall av ett seriöst detektivarbete, ", sa Piper. "Vi arbetar i en värld där fysik och kemi överlappar varandra. Och vi har nått den teoretiska gränsen för våra beräkningar och grundläggande processer. Nu måste vi granska dessa beräkningar och se var vi saknar saker. Jag tror att vi kommer att hitta de saknade bitarna genom att leka med metalloxider."

Genom att förstärka metalloxidernas "bra bitar" och tona ned de grova fläckarna, Piper är övertygad om att utvecklingen av nya och spännande typer av metalloxider som kan skräddarsys för specifika applikationer ligger väl inom vår räckhåll.

"Vi pratar batterilagring, bränsleceller, pekskärmsteknik och alla typer av datoromkopplare, ", sa Piper. "Vi är mitt uppe i en mycket viktig guldrush och det är väldigt spännande att få vara med i det loppet för att bli rik. Men först måste vi ta reda på vad vi inte vet innan vi kan ta reda på vad vi gör. En sak är säker:metalloxider håller nyckeln. Och jag tror att vi på Binghamton University kan bidra till dessa ansträngningar genom att göra god vetenskap och ta ett moraliskt medvetet förhållningssätt."