p As nanoestruturas de semicondutor estão prontas para desempenhar um grande papel nos futuros sistemas de geração de hidrogênio movidos a energia solar, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores do A * STAR Institute of High Performance Computing. Hui Pan e Yong-Wei Zhang relatam que interfaces de modelo feitas de nitreto de gálio (GaN) e semicondutores de óxido de zinco (ZnO) têm capacidades magnéticas e de captação de luz ajustáveis ​​- fatores que podem melhorar muito a transformação fotocatalítica de água em combustível de hidrogênio. p A maioria das células fotoeletroquímicas usa eletrodos de dióxido de titânio para absorver luz e dividir as moléculas de água em gás hidrogênio e oxigênio. Mas, como esse mineral tem um grande gap - uma medida da energia necessária para iniciar as fotorreações -, esses dispositivos respondem apenas a uma pequena fração do espectro solar. Uma maneira promissora de aumentar essa eficiência é com materiais de 'superrede' que empilham dois semicondutores diferentes em alternados, camadas nanométricas. Os canais bidimensionais que emergem de superredes se assemelham a nanofios condutores para movimento rápido de portadores de carga. Bandgaps nessas hetero-nanoestruturas têm uma dependência demonstrada na composição do semicondutor e na espessura da camada.

p Pan e Zhang investigaram superredes baseadas em camadas empilhadas de GaN e ZnO, dois semicondutores com propriedades eletrônicas e estruturais semelhantes que são amplamente utilizados em dispositivos optoeletrônicos. Usando cálculos de teoria funcional de densidade, eles otimizaram uma superrede de modelo GaN-ZnO periódica (veja a imagem). Esses cálculos, que descrevem a carga e os estados de spin do elétron dos materiais, mostraram que as duas camadas semicondutoras formaram arranjos de nanofios cristalinos sem características magnéticas.

p A dupla então introduziu sistematicamente pequenos defeitos - substituições atômicas que rompem ligeiramente a cristalinidade do semicondutor - na superrede GaN-ZnO. Para surpresa de Pan e Zhang, eles observaram magnetismo significativo em vários tipos de interface de defeito. De acordo com Pan, esta atividade extraordinária é devido a 'descontinuidades polares' que se formam quando defeitos carregados positivamente neutralizam parcialmente as cargas negativas nos pontos de interface Ga-O. Os elétrons desemparelhados então se acumulam em torno das conexões Zn – N e geram forças magnéticas que podem aumentar a separação de carga e a mobilidade durante a reação conhecida como fotocatálise.

p Os pesquisadores também descobriram que as descontinuidades polares projetadas podem alterar significativamente os bandgaps de semicondutores, gerando níveis de energia intermediários. Essas zonas atuam como "degraus" que tornam mais fácil para os fótons, ou partículas transmissoras de luz, para excitar elétrons para reações de divisão em água. Pan observa que, uma vez que essas propriedades intrigantes das nanoestruturas de GaN-ZnO são verificadas por meio de estudos de laboratório, os materiais podem encontrar aplicação em células solares de captação de energia. "Se este projeto se mostrar eficiente tanto na teoria quanto no experimento, procuraríamos, então, aplicativos comerciais colaborando com a indústria, " ele diz.