Quando se trata de criar eletrônicos de última geração, os semicondutores bidimensionais têm uma grande vantagem. Eles são mais rápidos, mais poderosos e mais eficientes. Eles também são incrivelmente difíceis de fabricar.
As partículas semicondutoras tridimensionais também têm uma borda – muitas delas – devido às suas superfícies geometricamente variadas. Os pesquisadores da Cornell descobriram que as junções nessas bordas das facetas têm propriedades 2D, que podem ser aproveitadas para processos fotoeletroquímicos – nos quais a luz é usada para conduzir reações químicas – que podem impulsionar as tecnologias de conversão de energia solar.

Esta pesquisa, liderada por Peng Chen, Peter J.W. Debye Professor de Química na Faculdade de Artes e Ciências, também poderia beneficiar tecnologias de energia renovável que reduzem o dióxido de carbono, convertem nitrogênio em amônia e produzem peróxido de hidrogênio.

O artigo do grupo, "Inter-Facet Junction Effects on Particulate Photoeletrodes", publicado em 24 de dezembro em Nature Materials . O principal autor do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Xianwen Mao.

Para o estudo, os pesquisadores se concentraram no vanadato de bismuto semicondutor, cujas partículas podem absorver luz e depois usar essa energia para oxidar moléculas de água – uma maneira limpa de gerar hidrogênio e oxigênio.

As próprias partículas semicondutoras são de forma anisotrópica; isto é, eles têm superfícies 3D, cheias de facetas inclinadas uma em direção à outra e que se encontram nas bordas da superfície da partícula. No entanto, nem todas as facetas são iguais. Eles podem ter diferentes estruturas que, por sua vez, resultam em diferentes níveis de energia e propriedades eletrônicas.

“Como eles têm diferentes níveis de energia quando se juntam em uma borda, há uma incompatibilidade, e a incompatibilidade lhe dá uma transição”, disse Chen. "Se você tivesse um metal puro, não teria essa propriedade."

Usando um par de técnicas de imagem de alta resolução espacial, Mao e Chen mediram a corrente fotoeletroquímica e as reações de superfície em vários pontos em cada faceta e na borda adjacente entre eles e, em seguida, usaram uma meticulosa análise de dados quantitativos para mapear as mudanças de transição.

Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que as partículas tridimensionais podem realmente possuir as propriedades eletrônicas de materiais bidimensionais, em que a transição acontece gradualmente através da chamada zona de transição perto da borda onde as facetas convergem – uma descoberta que nunca havia foi imaginado e não poderia ter sido revelado sem imagens de alta resolução.

Mao e Chen supõem que a largura da zona de transição é comparável ao tamanho da faceta. Isso potencialmente daria aos pesquisadores uma maneira de "ajustar" as propriedades eletrônicas e personalizar as partículas para processos fotocatalíticos. Eles também podem ajustar as propriedades alterando as larguras das zonas de transição próximas à borda por meio de dopagem química.

"A propriedade eletrônica depende de quais duas facetas estão convergindo em uma borda. Agora, você basicamente pode projetar materiais para ter duas facetas desejadas se fundindo. Portanto, há um princípio de design", disse Chen. "Você pode projetar a partícula para um melhor desempenho e também pode dopar o material com alguns átomos de impureza, o que altera a propriedade eletrônica de cada faceta. E isso também altera a transição associada a essa junção de interface. Isso realmente aponta para oportunidades adicionais para partículas semicondutoras tridimensionais." + Explorar mais

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