Как показали последние исследования ученых из США, нанопровода из нитрида иридия галлия, выращенные на массивах кремниевых проводов, позволяют создать идеальные фотоаноды для расщепления воды при помощи солнечного света. В ходе экспериментов было обнаружено, что плотность фототока в таких структурах в пять раз выше, чем в массивах нанопроводов нитрида иридия галлия, выращенных на плоском образце кремния.

Реакция расщепления воды при помощи энергии солнца может в будущем стать экологически чистым источником возобновляемой энергии. Однако ученые из лабораторий по всему миру до сих пор продолжают поиск наиболее эффективных материалов для создания фотоэлектродов, которые будут использоваться в этом процессе.

Очередной шаг в этом направлении сделали ученые из University of California и Lawrence Berkeley National Lab (США). Сотрудники совместной научной группы впервые смогли получить монокристаллические нанопровода из нитрида иридия галлия еще в 2007 году. Уже тогда они обнаружили, что, в зависимости от концентрации иридия, такие нанопровода имеют запрещенную зону в диапазоне от 1 до 3,3 эВ. А вот последняя работа научной группы показывает, что, благодаря небольшой ширине этой запрещенной зоны (которую можно настроить для покрытия наиболее широкой части спектра солнечного излучения и оптимального поглощения солнечного света), подобные нанопровода могут использоваться в качестве эффективных фотоанодов для расщепления воды при помощи солнечной энергии. Однако упомянутые наноструктуры имеют большую площадь поверхности, таким образом, электроды должны быть оснащены большим количеством катализатора для запуска химической реакции расщепления воды.

В рамках своих экспериментов группа ученых выращивала сложные структуры из кремния и нитрида иридия галлия при помощи покрытия кремния с примесями n-типа нанопроводами из нитрида иридия галлия, а также последующего «обжига» полученных структур при высоких температурах. Измерения фототока через созданную структуру показало, что

в такой конфигурации он увеличивается в пять раз, по сравнению с массивами нанопроводов нитрида иридия галлия, выращенными на плоской поверхности кремния.

Одной из главных проблем, связанных с использованием полупроводников, содержащих азот, является их химическая стабильность в условиях длительного фотоокисления. Команда провела тестирование своей структуры и обнаружила, что плотность фототока остается стабильной, даже при длительном освещении интенсивным светом (350 мВт на квадратный метр). Кроме того, как показали исследования посредством просвечивающей электронной микроскопии, в этих условиях не наблюдается процессов разложения нанопроводов из нитрида иридия галлия. Их кристаллическая структура остается неизменной.

Хотя полученные предварительные результаты обнадеживают ученых, работающих в этом направлении, существует еще множество вопросов, на которые предстоит ответить, прежде чем классифицировать открытие как применимое или не применимое в коммерческих масштабах. В частности, необходимо решить проблему низкого общего фототока в такой системе и короткого времени жизни свободных носителей заряда (электронов и дырок). В ближайшее время научная группа планирует оптимизировать созданные наноструктуры для решения этих проблем.

Подробные результаты работы ученых были опубликованы в журнале Nano Letters.