När det gäller att skapa nästa generations elektronik har tvådimensionella halvledare en stor fördel. De är snabbare, kraftfullare och effektivare. De är också otroligt svåra att tillverka.

Tredimensionella halvledarpartiklar har också en kant - många av dem - med tanke på deras geometriskt varierade ytor. Cornell-forskare har upptäckt att korsningarna vid dessa facettkanter har 2D-egenskaper, som kan utnyttjas för fotoelektrokemiska processer – där ljus används för att driva kemiska reaktioner – som kan stärka solenergiomvandlingsteknologier.

Denna forskning, ledd av Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi vid College of Arts and Sciences, skulle också kunna gynna förnybar energiteknik som minskar koldioxid, omvandlar kväve till ammoniak och producerar väteperoxid.

Gruppens artikel, "Inter-Facet Junction Effects on Particulate Photoelectrodes", publicerades den 24 december i Nature Materials . Uppsatsens huvudförfattare är postdoktorn Xianwen Mao.

I sin studie fokuserade forskarna på halvledarvismutvanadatet, vars partiklar kan absorbera ljus och sedan använda den energin för att oxidera vattenmolekyler – ett rent sätt att generera såväl väte som syre.

Själva halvledarpartiklarna är anisotropiskt formade; det vill säga de har 3D-ytor, fulla av facetter vinklade mot varandra och möts vid kanterna på partikelytan. Men alla aspekter är inte lika. De kan ha olika strukturer som i sin tur resulterar i olika energinivåer och elektroniska egenskaper.

"Eftersom de har olika energinivåer när de går med vid en kant, finns det en obalans, och obalansen ger dig en övergång," sa Chen. "Om du hade en ren metall, skulle den inte ha den här egenskapen."

Med hjälp av ett par avbildningstekniker med hög rumslig upplösning, mätte Mao och Chen den fotoelektrokemiska strömmen och ytreaktionerna vid flera punkter över varje facett och den angränsande kanten däremellan, och använde sedan noggrann kvantitativ dataanalys för att kartlägga övergångsförändringarna.

Forskarna blev förvånade över att finna att de tredimensionella partiklarna faktiskt kan ha de elektroniska egenskaperna hos tvådimensionella material, där övergången sker gradvis över den så kallade övergångszonen nära kanten där fasetterna konvergerar - ett fynd som aldrig hade varit tänkt och kunde inte ha avslöjats utan högupplöst bildbehandling.

Mao och Chen antar att övergångszonens bredd är jämförbar med facettens storlek. Det skulle potentiellt ge forskare ett sätt att "justera" de elektroniska egenskaperna och anpassa partiklarna för fotokatalytiska processer. De skulle också kunna ställa in egenskaperna genom att ändra bredden på övergångszonerna nära kanten via kemisk dopning.

"Den elektroniska egenskapen är beroende av vilka två aspekter som konvergerar vid en kant. Nu kan du i princip designa material så att två önskade aspekter smälter samman. Så det finns en designprincip," sa Chen. "Du kan konstruera partikeln för bättre prestanda, och du kan också dopa materialet med några föroreningsatomer, vilket ändrar den elektroniska egenskapen för varje aspekt. Och det kommer också att förändra övergången som är förknippad med denna gränssnittsövergång. Detta pekar verkligen på ytterligare möjligheter för tredimensionella halvledarpartiklar." + Utforska vidare

Fasettkontrollerbar syntes av tvådimensionella oxider av sällsynta jordartsmetaller