 Исследователь Северо-Западного университета Джеймс Рондинелли использует квантово-механические расчеты для прогнозирования и проектирования свойства новых материалов, работая на атомном уровне. Его последним достижением группы является открытие нового пути для управления разрывом электронной группы в сложных оксидных материалах без изменения общего состава материала. Открытие может потенциально привести к большему количеству электрооптических устройств, таких как лазеры, и новых материалов энергии поколения и конверсии, в том числе большего количества впитывающих солнечных батарей и улучшенного преобразования солнечного света в химическое топлива через фотоэлектрокатализ.
«В действительности нет никаких совершенных материалов для сбора солнечного света», сказал Рондинелли, доцент кафедры материаловедения и инженерии. «Так что, как ученые материалов, мы пытаемся разработать новый материал снизу вверх. Мы пытаемся понять структуру материала, манеру, в которой атомы расположены, и то, как этот «геном» поддерживает свойства и функциональность материала.
Запрещенная зона является фундаментальным параметром материала, необходимые для управления технологиями сбора света, преобразования и переноса. Через разработанную запрещенную зону, ученые могут изменять то, какая часть солнечного спектра может быть поглощена солнечным элементам, которым необходимо изменить структуру или химию материала.
Современные методы настройки в неоксидных полупроводниках только в состоянии изменить запрещенной зоны примерно на электронвольт, что до сих пор требует изменение химического состава материала. Новый может изменить запрещенную зону до 200 процентов, не изменяя химию материала. Натурально образующиеся слои, содержащиеся в сложных оксидных материалах, вдохновили ученых на исследования того, как управлять слоями. Они обнаружили, что, контролируя взаимодействие между нейтральными и электрически заряженными плоскостями атомов в оксиде, они могли бы достичь гораздо большого разброс в электронной перестройке частоты запрещенной зоны.
Настраивая расположение катионов (ионов, имеющие общий положительный, нейтральный или отрицательный заряд) на этих плоскостях в непосредственной близости друг от друга, команда продемонстрировала изменение запрещенной зоны на более чем два электронвольт. Они изменили запрещенную зону без изменения химической формулы материала. Разница лишь в том, как были упорядочены «гены» материала.
Организация оксидных слоев по-другому порождает различные свойства. Возможность экспериментально контролировать расположение слоев сегодня может позволить исследователям разработать новые материалы с определенными свойствами и целями. Следующим шагом является проверка их вычислительных результатов на экспериментальном уровне.
«Сегодня возможно создавать цифровые материалы с точностью атомарного уровня», сказал Рондинелли. «Пространство для исследования, однако, огромно. Если мы поймем, как поведение материала выходит из строительных блоков, то мы сделаем эту задачу преодолимой, и столкнемся с одной из самых больших проблем сегодня - функциональность по дизайну».
|
