Команда ученых под руководством профессора Ван Минтая из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук придумала, как выращивать массивы наностержней из диоксида титана (TiO₂) с контролируемым расстоянием между ними, не меняя их размер. Это открытие может улучшить солнечные батареи, фотокатализаторы и сенсоры.

Результаты опубликованы в журнале Small Methods.

Обычно при создании наностержней нельзя изменить один параметр, не затронув другие: если увеличить длину, изменится толщина или плотность. Это мешает точной настройке устройств. Но китайские исследователи нашли способ обойти ограничение. Они продлили стадию гидролиза пленки-предшественника, и оказалось, что более длинные «гелевые цепи» формируют меньшие наночастицы анатаза (одна из форм TiO₂). При последующей обработке эти частицы превращаются в рутил (другая форма TiO₂) и становятся „семенами“ для роста стержней. Чем дольше гидролиз — тем меньше зародышей и реже расположены стержни, но их толщина и высота остаются неизменными.

Гидролиз пленки-предшественника – процесс, при котором химическое соединение (прекурсор) разлагается водой, образуя гелеобразную пленку. В данном случае это этап, на котором формируются зародыши будущих наностержней.

С помощью этого метода ученые создали пленки, где стержни одинакового размера, но их плотность варьируется. Когда такие пленки применили в солнечных элементах на основе CuInS₂, КПД превысил 10%, достигнув 10,44%. Чтобы объяснить, почему расстояние между стержнями так важно, команда разработала модель Volume-Surface-Density. Она показывает, как плотность стержней влияет на:

• улавливание света,
• разделение зарядов,
• сбор электронов.

Это исследование ломает шаблоны: теперь можно независимо управлять структурой наноматериалов, что открывает новые возможности в энергетике и оптоэлектронике.

Этот метод позволяет:

• Увеличить эффективность солнечных батарей – КПД выше 10% для тонкопленочных элементов на низких температурах уже неплохо, а дальше можно улучшать.
• Создавать более чувствительные сенсоры – контролируемая плотность наностержней улучшает детектирование молекул.
• Оптимизировать фотокатализ – например, для очистки воды или воздуха, где важна площадь поверхности.

Исследование не учитывает долговечность таких структур: как поведут себя наностержни при длительной работе под нагрузкой? Возможна деградация из-за коррозии или механических напряжений.

Ранее учные предложили новую стратегию синтеза с диоксидом титана.