Схематическое изображение процесса поглощения фотонов массивом нанопроводов из оксида металла.Глобальные энергетические потребности и экологические проблемы бросают вызов исследователям, побуждая их разрабатывать новые более эффективные методы преобразования солнечной энергии в топливо, например, через производство водорода. Подобные преобразования не могут быть осуществлены при помощи существующих материалов, таким образом, необходима разработка качественно новых вариантов, которые могли бы поглощать большой процент солнечной энергии в широком спектральном диапазоне. Подобный материал также должен обладать «правильной» структурой электронных облаков (точнее, достаточной шириной запрещенной зоны), чтобы была возможна реакция диссоциации воды. Таким образом, сейчас на повестке дня стоит задача создания полупроводниковых материалов, демонстрирующих хороший фототок, с запрещенной зоной шириной 1,7 – 2,2 эВ.
И первый шаг на этом пути – создание новых по своему составу материалов с идеальной шириной запрещенной зоны. После подбора параметров электронной структуры, у каждого «материала-кандидата» исследуется отклик на свет – настоящая задача для материаловеда. Очевидно, что фототок материала зависит от структуры сформированного объекта, от того, является ли материал монокристаллом или представляет собой поликристалл; имеются ли в нем поры. В теории тонкие пленки монокристаллов в этом смысле являются идеальными, ведь у них глубина поглощения фотонов соответствует длине свободного пробега свободных зарядов. Но выращивание больших по площади монокристаллов – задача весьма не простая. На практике гораздо проще использовать поликристаллы.
К сожалению, на практике получается невозможно исследовать материал, пользуясь при измерениях поликристаллами. Они эффективно адсорбируют фотоны, но позже освобожденные электрические заряды практически полностью рекомбинируют, что сводит результирующий поток заряженных частиц практически к нулю. Таким образом, для измерения фототока требуется другая структура. Один из вариантов такой структуры – множества нанокристаллов. Границы между отдельными нанокристаллами могут действовать как «ловушка» для высвобожденных фотонами электрических зарядов, что препятствует их исчезновению в ходе рекомбинации.
Последние исследования показали, что одномерные нанопровода диаметром менее 100 нм и длиной порядка нескольких микрометров могут решить поставленную задачу. Структура нанопроводов такова, что их вертикально-ориентрованные множества обеспечивают оптимальное поглощение фотонов, при этом малый диаметр каждого отдельного провода ограничивает длину свободного пробега освобожденных носителей тока. Таким образом, они позволяют измерить реальный фототок практически любого нового материала. К примеру, оксид железа имеет практически идеальную ширину запрещенной зоны, но ранее не применялся в подобных задачах, т.к. по своим свойствам является изолятором Мотта. Это означает, что свободные носители тока в нем не могут распространяться далее, чем на несколько нм, таким образом, ранее было невозможно получить данные о фототоке в тонких пленках оксида железа. Но последние эксперименты ученых из University of Louisville (США) показали, что вертикально-ориентированные массивы нанопроводов из оксида металла обеспечивают вполне стабильный фототок.
В дополнение к этому в своей работе ученые показали, что массивы нанопроводов из оксида металла достаточно легко синтезировать и преобразовывать в другие вещества. Так, например, было показано, что оксид вольфрама можно преобразовать в субнитрид вольфрама.
По мнению исследователей, их работа должна помочь поиску новых материалов, применимых в солнечной энергетике.
sci-lib.com
