Las nanoestructuras de semiconductores están preparadas para desempeñar un papel importante en los futuros sistemas de generación de hidrógeno con energía solar. según un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento. Hui Pan y Yong-Wei Zhang informan que las interfaces modelo hechas de semiconductores de nitruro de galio (GaN) y óxido de zinc (ZnO) tienen capacidades magnéticas y de captación de luz sintonizables, factores que pueden mejorar en gran medida la transformación fotocatalítica del agua en combustible de hidrógeno.

La mayoría de las células fotoelectroquímicas utilizan electrodos de dióxido de titanio para absorber la luz y dividir las moléculas de agua en gas hidrógeno y oxígeno. Pero debido a que este mineral tiene una gran banda prohibida, una medida de energía necesaria para iniciar las fotorreacciones, estos dispositivos responden solo a una pequeña fracción del espectro solar. Una forma prometedora de aumentar esta eficiencia es con materiales de 'superrejilla' que apilan dos semiconductores diferentes en forma alternada, capas nanométricas delgadas. Los canales bidimensionales que emergen de las superredes se asemejan a nanocables conductores para un movimiento rápido del portador de carga. Bandgaps en estas hetero-nanoestructuras tienen una dependencia demostrada de la composición de los semiconductores y el espesor de la capa.

Pan y Zhang investigaron superredes basadas en capas apiladas de GaN y ZnO, dos semiconductores con propiedades electrónicas y estructurales similares que se utilizan ampliamente en dispositivos optoelectrónicos. Usando cálculos de la teoría funcional de la densidad, optimizaron una superrejilla periódica del modelo GaN-ZnO (ver imagen). Estos cálculos, que describen los estados de carga y espín de los electrones de los materiales, mostró que las dos capas semiconductoras formaban arreglos cristalinos de nanocables sin características magnéticas.

Luego, el dúo introdujo sistemáticamente pequeños defectos (sustituciones atómicas que alteran ligeramente la cristalinidad de los semiconductores) en la superrejilla de GaN-ZnO. Para sorpresa de Pan y Zhang, observaron un magnetismo significativo en varios tipos de interfaz de defectos. Según Pan, esta actividad extraordinaria se debe a "discontinuidades polares" que se forman cuando los defectos con carga positiva neutralizan parcialmente las cargas negativas en los puntos de la interfaz Ga – O. Los electrones no apareados se acumulan alrededor de las conexiones Zn-N y generan fuerzas magnéticas que pueden impulsar la separación de carga y la movilidad durante la reacción conocida como fotocatálisis.

Los investigadores también encontraron que las discontinuidades polares diseñadas podrían alterar significativamente las bandas prohibidas de los semiconductores al generar niveles de energía intermedios. Estas zonas actúan como 'trampolines' que facilitan los fotones, o partículas transmisoras de luz, para excitar electrones para reacciones de división de agua. Pan señala que una vez que estas intrigantes propiedades de las nanoestructuras de GaN-ZnO se verifican a través de estudios de laboratorio, los materiales pueden encontrar aplicación en células solares recolectoras de energía. "Si este diseño resulta eficaz tanto en teoría como en experimentos, luego buscaríamos aplicaciones comerciales colaborando con la industria, " él dice.