Ученые смогли усовершенствовать нанокомпозитный полупроводник на основе диоксида титана, который можно будет использовать в водородной энергетике и других научных областях. Результаты работы опубликованы в журнале Semiconductor Science and Technology.

Возможность использования композитного полупроводника на основе диоксида титана — TiO₂—n-Si — исследуют ученые во всем мире. Для того, чтобы более эффективно его использовать, нужно сделать так, чтобы энергия, заключенная между его слоями, могла высвобождаться и передаваться.

На основе экспериментов ученые СПбПУ Петра Великого, Ганноверского университета имени Лейбница и ФТИ им. А.Ф. Иоффе предложили физическую модель, описывающую процессы, происходящие в TiO₂—n-Si. Этот композиционный материал состоит из кремниевой пластины (из подобных пластин делаются любые микросхемы), золотых наночастиц и тонкого слоя диоксида титана. Ученые решили электрически изолировать наночастицы от кремния, так как если этого не сделать, энергию наночастиц невозможно передать ни кремнию, ни диоксиду титана, что энергетически невыгодно.

«Материал, который получился в результате, представлял собой кремниевую пластину, на поверхности которой были выращены столбики изоляторов. На них располагались золотые наночастицы, и все это сверху покрыто тончайшим слоем диоксида титана. Таким образом, наночастицы контактировали только с диоксидом титана, а от кремния были изолированы. Система получилась более простая, и мы попытались описать процессы, которые в ней происходили. Кроме того, мы предполагали, что такая структура повысит эффективность использования энергии света, падающего на поверхность нашего материала», – рассказывает один из авторов исследования Максим Мишин, профессор СПбПУ Петра Великого.

В ходе работы кремниевую пластину сначала окислили, то есть покрыли слоем изолятора и высадили на изолятор наночастицы золота.

«Далее перед нами стояла следующая задача – создать столбики и воздействовать на изолятор так, чтобы под частицами он остался, а между ними его не было. Учитывая, что мы имеем дело с наноразмерами – диаметр золотых наночастичек примерно 10 нанометров, а высота столбика – 80 нанометров – это задача нетривиальная. Развитие современной наноэлектроники позволяет использовать так называемые «сухие» методы травления вещества – методы ионного травления. Именно его мы использовали в ходе эксперимента», – рассказывает еще один соавтор исследования Марк Кристофер Вурц.

Ученые поясняют, что процесс шел не быстро: на первых этапах эксперимента при применении ионного травления все наночастицы золота просто «снесло» с окисленной кремниевой пластины. В течение недели исследователи подбирали режимы на установке плазмохимического травления так, чтобы наночастицы золота остались на поверхности. Сам эксперимент длился десять дней.

Работа над проектом продолжается. Исследователи утверждают, что этот нанокомпозитный материал сможет применяться в оптических приборах, работающих в диапазоне видимого света. Кроме того, его можно использовать как катализатор, для получения водорода из воды или, например, для очистки воды – стимулируя разложение сложных молекул примесей. Также этот материал можно использовать как активный элемент для датчиков, которые регистрируют утечку газа или повышенную концентрацию вредных веществ в воздухе.