צומת מתכת – מוליך למחצה בממד ננומטרי

חוקרים בטכניון, בשיתוף פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת בן גוריון ומכון לייבניץ לטכנולוגיה פוטונית בגרמניה, גילו שהאופי של ננו-צומת, הנוצרת בין מוט העשוי מוליך למחצה (רגש-האור) לבין חלקיק המתכת המורכב עליו (קטליזטור משנה), רגיש לגודל רכיב המתכת. הדבר בא לידי ביטוי בפעילות הפוטוקטליטית לייצור מימן, היעילות לפליטת אור, ואיכות הפרדת המטענים כפי שעולה ממדידות זמני חיים מהירות. גלוי זה הינו רב משמעות לשלל יישומים הכוללים מבנה ננומטרי המורכב ממוליך למחצה (מל"מ)– ומתכת, והוא צפוי לתרום למגוון רחב של מחקרים וקשת רחבה של יישומים כדוגמת תאים סולאריים ותאי דלק, פוטו-קטליזה, אלקטרוניקה ופוטוניקה.
המחברים מציעים שתי תופעות בעלות מגמה הפוכה כגורמים התורמים להשפעת גודל המתכת על מעבר מטען דרך צומת המל"מ – מתכת. הראשון, נקרא "מחסום קולמבי". בגביש זעיר במימדים ננומטרים נוכחות של מטען אחד פועלת למניעת הוספה של מטען נוסף, בגלל הדחייה הקולומבית (חשמלית) ביניהם. במילים פשוטות, ניתן להתייחס ל"מחסום הקולומבי" כאל "קנס אנרגטי" שאלקטרון צריך לשלם על מנת להיכנס לאזור מוגדר וטעון, כדוגמת חלקיק המתכת במערכת זו. קנס אנרגטי זה נמצא ביחס הפוך לרדיוס חלקיק המתכת, ולכן מעבר המטען הופך קל יותר ככל שחלקיק המתכת גדול יותר. ״מחסום שוטקי״, אף הוא תלוי גודל, מתחרה עם המחסום הקולומבי, והשפעתו הופכת משמעותיות יותר ככל שחלקיק המתכת גדל. בעוד שעצם קיום מחסום שוטקי חלש בצומת ננומטרית הינו מוכר בספרות המיקצועית, הבנת המקור של תופעה חשובה ומעניינת זו עדיין לוקה בחסר. העבודה המתוארת כאן יכולה להאיר ולקדם הבנה בסיסית של מאפייני מבנים מורכבים המשלבים מתכת עם מל"מ במימדים ננומטרים.
מנקודת מבט של הנדסה ותכנון מערכת פוטוקטליטית, שתי מגמות הפוכות אלו יכתיבו את גודל חלקיק מתכת האופטימלי עבור קטליזטור המשנה. גילוי זה מדגיש ומחדד את החשיבות של תכנון זהיר ומדויק של המערכת הפוטוקטליטית במסגרת השאיפה להגיע לביצוע אופטימלי.
המאמר פורסם בעיתון המדעי

Nano Letters: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b04210

 

איור. משמאל: תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר של מוטות CdSe@CdS עם חלקיק ניקל מתכתי. מימין: איור של המנגנון המוצא עבור השפעת גודל המתכת על צומת מל"מ – מתכת. מחסום שוטקי מתפתח כאשר חלקיק המתכת גדל בעוד שהמחסום הקולמבי קטן. קיום גודל אופטימלי לחלקיק המתכת הנו תוצאה של מגמות הפוכות אלו.