3D半导体粒子提供2D特性

2022年1月4日整理发布：在创建下一代电子产品方面，二维半导体具有很大的优势。它们更快、更强大、更高效。它们也非常难以制造。鉴于其几何形状各不相同的表面，三维半导体粒子也有边缘——其中很多。康奈尔大学的研究人员发现，这些刻面边缘的连接处具有二维特性，可用于光电化学过程——其中光用于驱动化学反应——可以促进太阳能转换技术。

这项由艺术与科学学院PeterJWDebye化学教授PengChen领导的研究还可以使减少二氧化碳、将氮转化为氨和生产过氧化氢的可再生能源技术受益。

在他们的研究中，研究人员专注于半导体钒酸铋，其颗粒可以吸收光，然后利用该能量氧化水分子——这是一种产生氢气和氧气的清洁方式。

半导体粒子本身呈各向异性形状;也就是说，它们具有3D表面，充满彼此成角度并在粒子表面边缘相遇的小平面。然而，并非所有方面都是平等的。它们可以具有不同的结构，进而导致不同的能级和电子特性。

“因为它们在边缘加入时具有不同的能量水平，所以存在不匹配，而这种不匹配会给你一个过渡，”陈说。“如果你有一种纯金属，它就不会有这种特性。”

使用一对高空间分辨率成像技术，毛和陈测量了每个面和中间相邻边缘的多个点的光电化学电流和表面反应，然后使用艰苦的定量数据分析来绘制过渡变化。

研究人员惊讶地发现，三维粒子实际上可以拥有二维材料的电子特性，其中过渡逐渐发生在小平面会聚边缘附近所谓的过渡区——这一发现从未有过。如果没有高分辨率成像，就无法想象并且无法揭示。

毛和陈假设过渡区的宽度与刻面的大小相当。这可能会为研究人员提供一种“调整”电子特性并为光催化过程定制粒子的方法。他们还可以通过化学掺杂改变近边缘过渡区的宽度来调整特性。

“电子特性取决于哪两个面在边缘会聚。现在，你基本上可以设计材料使两个所需的面合并。所以有一个设计原则，”陈说。“你可以设计粒子以获得更好的性能，你也可以用一些杂质原子掺杂材料，这会改变每个面的电子特性。这也会改变与这个面间结相关的转变。这真的指向三维半导体粒子的额外机会。”

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