Halvledarnanostrukturer är redo att spela en stor roll i framtida soldrivna vätegenereringssystem, enligt en ny studie av forskare vid A*STAR Institute of High Performance Computing. Hui Pan och Yong-Wei Zhang rapporterar att modellgränssnitt gjorda av galliumnitrid (GaN) och zinkoxid (ZnO) halvledare har avstämbara magnetiska och ljusskördande kapacitet - faktorer som avsevärt kan förbättra den fotokatalytiska omvandlingen av vatten till vätebränsle.

De flesta fotoelektrokemiska celler använder titandioxidelektroder för att absorbera ljus och dela upp vattenmolekyler till väte och syrgas. Men eftersom detta mineral har ett stort bandgap - ett mått på energi som behövs för att initiera fotoreaktioner - svarar dessa enheter bara på en liten bråkdel av solspektrumet. Ett lovande sätt att öka denna effektivitet är med "supergitter"-material som staplar två olika halvledare till alternativa, nanometertunna lager. De tvådimensionella kanalerna som kommer från supergaller liknar ledande nanotrådar för snabb laddningsbärarrörelse. Bandgap i dessa hetero-nanostrukturer har ett påvisat beroende av halvledarsammansättning och lagertjocklek.

Pan och Zhang undersökte supergitter baserade på staplade GaN- och ZnO-lager, två halvledare med liknande elektroniska och strukturella egenskaper som används i stor utsträckning i optoelektroniska enheter. Med hjälp av densitetsfunktionella teoriberäkningar, de optimerade en periodisk GaN–ZnO modell supergitter (se bild). Dessa beräkningar, som beskriver materials laddnings- och elektronspintillstånd, visade att de två halvledarskikten bildade kristallina nanotrådarrangemang utan magnetiska egenskaper.

Duon introducerade sedan systematiskt små defekter - atomära substitutioner som något stör halvledarkristalliniteten - i GaN-ZnO-supergittret. Till Pan och Zhangs förvåning, de observerade signifikant magnetism vid flera typer av defektgränssnitt. Enligt Pan, denna extraordinära aktivitet beror på "polära diskontinuiteter" som bildas när positivt laddade defekter delvis neutraliserar negativa laddningar vid Ga–O-gränssnittspunkter. Oparade elektroner ackumuleras sedan runt Zn-N-anslutningar och genererar magnetiska krafter som kan öka laddningsseparationen och rörligheten under reaktionen som kallas fotokatalys.

Forskarna fann också att konstruerade polära diskontinuiteter avsevärt kunde förändra halvledarbandgap genom att generera mellanliggande energinivåer. Dessa zoner fungerar som "stegstenar" som gör det lättare för fotoner, eller ljusgenomsläppliga partiklar, att excitera elektroner för vattensplittrande reaktioner. Pan noterar att när dessa spännande egenskaper hos GaN-ZnO nanostrukturer har verifierats genom laboratoriestudier, materialen kan komma att användas i energiskördande solceller. "Om den här designen visar sig vara effektiv i både teori och experiment, vi skulle sedan leta efter kommersiella tillämpningar genom att samarbeta med industrin, " han säger.