Nieuwe strategie voorgesteld voor bandgap-engineering en het behouden van materiaaleigenschappen onder hoge druk

Prof. Ding Junfeng en zijn team van de Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) van de Chinese Academie van Wetenschappen, hebben samen met prof. Zhang Genqiang van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, band gap-optimalisatie en verbetering van de foto-elektrische respons bereikt van koolstofnitride in de stikstofvacature grafietfase onder hoge druk.

Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast.

Grafitisch koolstofnitride (gC₃N₄) heeft op veel gebieden goed gepresteerd, zoals de productie van fotokatalytische waterstof met hoog rendement en wateroxidatie. De brede bandafstand van 2,7 eV van de originele gC₃N₄ beperkt de lichtabsorptie in het zichtbare gebied. Hogedruktechnologie is een effectieve strategie om de eigenschappen te veranderen terwijl de samenstelling behouden blijft. Daarom is bandgap-engineering van gC₃N₄ door hogedruktechnologie kan de fotokatalytische activiteit aanzienlijk verbeteren en het toepassingspotentieel verbeteren.

In deze studie hebben de onderzoekers een N-bevattend leegstandsdefect gC voorbereid₃N₄ nanosheets met een stikstof/koolstofverhouding van 9:10 door alkaligeassisteerde thermische polymerisatie.

Vervolgens voerden ze een reeks onderzoeken uit naar de evolutie van de bandafstand en het foto-elektrische responsgedrag van gC₃N₄ onder hoge druk. Ze gebruikten een diamanten aambeeldcel gecombineerd met Raman-spectroscopie, synchrotron-röntgendiffractie, hogedrukabsorptiespectroscopie en fotostroommeettechnieken.

Een belangrijk fenomeen was dat gC₃N₄ onderging een door druk geïnduceerde amorfisatie (PIA) van grafiet naar amorfe fase bij 17 GPa. Onder hoge druk wordt de PL van N-deficiënte gC₃N₄ veranderde van geel in rood en de minimale bandafstand bereikte 1,70 eV.

De versmalde bandafstand verbeterde de lichtabsorptie in het zichtbare gebied en verhoogde de zichtbare fotostroom van 18 nA naar 29 nA. Wanneer de toegepaste druk hoger was dan de PIA-overgangsdruk, kon bij omgevingsomstandigheden nog steeds een smalle bandafstand worden gehandhaafd, waardoor een breed bereik van gC mogelijk was₃N₄ band gap engineering van 1,87 eV tot 2,42 eV.

Deze studie biedt een door leegstand/defect ondersteunde PIA-strategie die kan worden gebruikt om de bandafstand van materialen te ontwerpen en af ​​te stemmen, en om de foto-elektrische prestaties te verbeteren voor een verscheidenheid aan toepassingen onder omgevingsomstandigheden.