Cuando se trata de crear electrónica de próxima generación, los semiconductores bidimensionales tienen una gran ventaja. Son más rápidos, más potentes y más eficientes. También son increíblemente difíciles de fabricar.

Las partículas semiconductoras tridimensionales también tienen una ventaja, muchas de ellas, dadas sus superficies geométricamente variadas. Los investigadores de Cornell han descubierto que las uniones en estos bordes de las facetas tienen propiedades 2D, que pueden aprovecharse para procesos fotoelectroquímicos, en los que la luz se usa para impulsar reacciones químicas, que pueden impulsar las tecnologías de conversión de energía solar.

Esta investigación, dirigida por Peng Chen, Peter J.W. Debye Profesor de Química en la Facultad de Artes y Ciencias, también podría beneficiar las tecnologías de energía renovable que reducen el dióxido de carbono, convierten el nitrógeno en amoníaco y producen peróxido de hidrógeno.

El artículo del grupo, "Efectos de la unión entre facetas en fotoelectrodos de partículas", publicado el 24 de diciembre en Nature Materials . El autor principal del artículo es el investigador postdoctoral Xianwen Mao.

Para su estudio, los investigadores se centraron en el vanadato de bismuto semiconductor, cuyas partículas pueden absorber la luz y luego usar esa energía para oxidar las moléculas de agua, una forma limpia de generar hidrógeno y oxígeno.

Las propias partículas semiconductoras tienen forma anisotrópica; es decir, tienen superficies 3D, llenas de facetas en ángulo entre sí y que se encuentran en los bordes de la superficie de la partícula. Sin embargo, no todas las facetas son iguales. Pueden tener diferentes estructuras que, a su vez, dan como resultado diferentes niveles de energía y propiedades electrónicas.

"Debido a que tienen diferentes niveles de energía cuando se unen en un borde, hay un desajuste, y el desajuste te da una transición", dijo Chen. "Si tuvieras un metal puro, no tendría esta propiedad".

Usando un par de técnicas de imágenes de alta resolución espacial, Mao y Chen midieron la corriente fotoelectroquímica y las reacciones superficiales en múltiples puntos a lo largo de cada faceta y el borde contiguo en el medio, y luego usaron un minucioso análisis de datos cuantitativos para mapear los cambios de transición.

Los investigadores se sorprendieron al descubrir que las partículas tridimensionales en realidad pueden poseer las propiedades electrónicas de los materiales bidimensionales, en los que la transición ocurre gradualmente a través de la llamada zona de transición cerca del borde donde convergen las facetas, un hallazgo que nunca antes había ocurrido. sido imaginado y no podría haber sido revelado sin imágenes de alta resolución.

Mao y Chen plantean la hipótesis de que el ancho de la zona de transición es comparable al tamaño de la faceta. Potencialmente, eso daría a los investigadores una forma de "ajustar" las propiedades electrónicas y personalizar las partículas para los procesos fotocatalíticos. También podrían ajustar las propiedades cambiando los anchos de las zonas de transición cercanas al borde mediante dopaje químico.

"La propiedad electrónica depende de qué dos facetas convergen en un borde. Ahora, básicamente puedes diseñar materiales para que se fusionen dos facetas deseadas. Así que hay un principio de diseño", dijo Chen. "Puede diseñar la partícula para un mejor rendimiento, y también puede dopar el material con algunos átomos de impurezas, lo que cambia la propiedad electrónica de cada faceta. Y eso también cambiará la transición asociada con esta unión de interfaz. Esto realmente apunta a oportunidades adicionales para las partículas semiconductoras tridimensionales". + Explora más

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