Materiaalisuunnittelulla kaistaero sopivaksi

Jos ei löydä ihanteellista materiaalia, sellainen on sitten suunniteltava.

Nykyään on mahdollista luoda digitaalisia materiaaleja atomitason tarkkuudella", toteaa Northwestern-yliopiston James Rondinelli. Hänen johtamansa ryhmä käyttää kvanttimekaniikan laskelmia ennustaakseen ja suunnitellakseen uusien materiaalien ominaisuuksia atomitason tarkkuudella.

Heidän viimeisin saavutus on löytää uudenlainen tapa hallita elektronista kaistaeroa monimutkaisissa oksidimateriaaleissa muuttamatta materiaalin yleistä koostumusta.

Havainto voi johtaa parempiin elektro-optisiin laitteisiin, kuten laserit, ja uudet energiaa generoivat ja muuntavat materiaalit, kuten paremmin absorboivat aurinkokennot sekä auringonvalon muuntamisen kemiallisiksi polttoaineiksi valosähkökatalyysin kautta.

Elektroninen kaistaero on materiaalin olennainen parametri erityisesti auringon valon keruun, muuntamisen ja siirron tekniikoissa. Kaistaerojen muokkauksen kautta, tutkijat voivat muuttaa, minkä osan auringon spektristä voi aurinkokenno absorboida.

Nykyiset viritysmenetelmät ei-oksidisissa puolijohteissa voivat muuttaa energiarakoa vain noin yhdellä elektronivoltilla, mikä aiheuttaa lisäksi muutoksia materiaalin kemiallisen koostumukseen. Rondinellin menetelmä voi muuttaa aukkoa jopa 200 prosenttia muuttamatta materiaalin kemiaa.

Kompleksisissa oksidimateriaaleissa luonnollisesti esiintyvät kerrokset inspiroivat ryhmää tutkimaan miten hallita niitä. Virittämällä kationien järjestelyä näillä toisiinsa liittyvillä tasoilla, Rondinellin ryhmä osoitti energiaraon vaihteluksi enemmän kuin kaksi elektronivolttia.

Rondinelli toteaa, että kyky hallita kokeellisesti kerros kerrokselta järjestystä saattaa mahdollistaa tutkijoiden suunnitella uusia materiaaleja, joilla on erityisiä ominaisuuksia ja tarkoituksia.