Вы знакомы с ним по белому пятнышку на носу или на спине. Но однажды белая мазь, защищающая вашу кожу от загара, возможно, начнет производить электричество на крыше вашего дома или автомобиля. Многие знают, что оксид цинка является ключевым ингредиентом в солнцезащитном креме и порошке для подгузника. Но он также выступает полупроводником, который можно использовать в новых типах солнечных элементов, оптических газовых сенсорах и ультрафиолетовых лазерах, а также в производстве газообразного водорода, который мог бы заменить нефть в качестве источника топлива для легковых и грузовых автомобилей.
«Основным преимуществом оксида цинка над другими полупроводниковыми материалами является то, что его много, он недорогой и его можно использовать для создания очень качественных устройств быстро и дешево», говорит Амир Хассанпур, физик из Университета Конкордия в Монреале. «Он может привести к дешевым устройствам с хорошей производительностью, которые не полагаются на редкие, постоянно недостающие материалы».
Вместе с коллегами Хассанпур разработал новый метод обработки оксида цинка для использования в полупроводниках. Их прорывной подход можно применить для производства более эффективных солнечных панелей и водородных топливных ячеек, среди прочего. Исследование было опубликовано в журнале Materials and Design.
На микроскопическом уровне оксид цинка представляет собой лес крошечных «деревьев» — наностержней — одномерных структур, которые обеспечивают путь транспортировки электричества. Чтобы хорошо работать в таких устройствах, как газовые датчики, наностержни должны располагаться определенным образом. Так расположить их всегда было дорогим и сложным процессом.
«Оксид цинка можно легко выращивать как лес случайно расположенных наностержней, диаметр каждого из которых в 100–1000 раз меньше человеческого волоса. Но очень трудно указать наностержням, как им расти», говорят ученые.
Ученые покрывали гладкую поверхность оксидом цинка и нагревали до 400 градусов Цельсия. Затем они покрывали первый слой полимером и использовали электронный луч для пробивки в нем отверстий. Затем помещали оксид цинка и узорную маску в бутылку цинковой соли и других химических веществ, растворенных в чистой воде. Затем нагревали раствор. Цинк и вода реагировали только внутри отверстий, поэтому наностержни образовались только в этих отверстиях. После удаления полимера остался лес наностержней.
Выращивая наностержни по определенной схеме, ученые могут создавать фотонные кристаллы — специальные структуры, улавливающие свет. Фотонные кристаллы можно использовать для создания более эффективных ультрафиолетовых лазеров или оптических газовых датчиков, которые могут менять цвет при наличии определенного газа.
Такой датчик может, например, обнаруживать опасные количества моноксида углерода. Или же его можно использовать для обнаружения следовых газов, которых быть не должно, например, этилена в хранилищах фруктов, поскольку присутствие этилена может привести к порче фруктов, говорит Хассанпур.
Наностержни из оксида цинка будут ценным активом для газовых датчиков, поскольку могут меняться предсказуемым образом при воздействии различных газов. Хотя такие датчики можно создавать из наностержней, не расположенных в определенной схеме, для создания более чувствительных устройств необходим тщательный контроль позиционирования наностержней.
Наностержни из оксида цинка могут быть использованы для создания более эффективных солнечных батарей и дешевых водородных топливных ячеек. Поскольку оксид цинка поглощает энергию из солнечного света, размещение наностержней в воде приводит к тому, что поглощенная энергия солнца разбивает связи между атомами кислорода и водорода в молекулах воды с образованием газообразного водорода.
Этот водород можно собрать и затем использовать как топливо, в идеале, чтобы заменить бензин или другое ископаемое топливо. Сохраняя водород, инженеры могли бы с легкостью передавать его в качестве топлива потребителю, например, водородного автомобиля.
