«Золото дураков» превратили в полупроводник из обычной железной руды
Ученые из Университета Миннесоты в Твин-Ситис показали, что низкосортную железную руду можно напрямую превращать в пирит полупроводникового качества — а значит, у солнечных панелей, батарей и электроники будущего может появиться куда более дешевый источник сырья. Работу опубликовали в журнале Physical Review Applied.
Что не так с обычным пиритом
Пирит, известный также как «золото дураков» из-за внешнего сходства с настоящим золотом, — материал необычный для полупроводников. Он хорошо поглощает свет, состоит из широко распространенных элементов, не токсичен и стоит дешево. Но до сих пор для получения качественного полупроводникового пирита требовалось начинать с сильно очищенного сырья: примеси и дефекты кристаллической решетки обычно мешают материалу работать как полупроводник.
Команда из Миннесоты решила проверить, действительно ли это необходимо. Взяв образцы руды прямо с Миннесотского железорудного пояса — крупного горнодобывающего региона на севере штата, — исследователи получили пирит полупроводникового качества без единого дополнительного этапа очистки.
То же самое сырье, на котором долгие годы держалась черная металлургия, теперь может стать источником материалов для электроники.
Грязная руда дала чистый результат
Исследователи протестировали три разных сорта железной руды и выяснили, что лучше всего показал себя таконит прямого восстановления (Direct Reduced Grade Taconite) — один из самых распространенных сортов руды в Миннесоте.
Результат удивил даже саму команду, ведь полупроводниковые материалы обычно крайне чувствительны к примесям. Вместо этого пирит продемонстрировал неожиданную устойчивость к загрязнениям, при этом сохранив свойства, нужные для полупроводниковых применений.
«Мы поняли, что пирит на самом деле не похож на типичный полупроводник — он на удивление невосприимчив к примесям. Поэтому мы задумались: а нужно ли нам вообще то высокочистое сырье, которое мы — как и все остальные — использовали для получения полупроводникового пирита?», — рассказал Крис Лейтон, профессор кафедры химической инженерии и материаловедения и главный автор исследования.
Оказалось, что низкосортную руду можно перерабатывать в пирит напрямую, без дополнительной очистки. Это способно убрать из производства целый этап, который обычно обходится недешево.
«Есть масса причин, почему кажется, что это не должно работать, — добавил Лейтон. — Но при обработке грязных — то есть низкосортных — железных руд прямо с Миннесотского железорудного пояса они легко превращались в полупроводниковый пирит без всякой дополнительной очистки. Мы уже неплохо понимаем, почему так происходит».
По словам команды, понимание того, почему примеси не мешают формированию качественного пирита, может подсказать, как получать похожие материалы из других распространенных природных ресурсов.
Куда пойдет «золото дураков»
Область применения не ограничивается привычными полупроводниковыми устройствами. Способность пирита хорошо поглощать свет делает его интересным для солнечной энергетики, а низкая стоимость и состав — перспективным для батарей и электроники. Исследователи также упоминают возможное применение в очистке воды, хотя это пока остается делом будущего — команда только планирует проверить, как материал поведет себя в реальных, приближенных к устройствам формах.
Команда хочет перейти от объемных кристаллов пирита к тонким пленкам — именно такая форма материала нужна для реальных электронных и энергетических устройств.
Если подход оправдает себя, у уже добываемых в промышленных масштабах железных ресурсов может появиться совершенно новое применение. Вместо дорогого высокочистого сырья производители получат возможность работать с более доступной и менее переработанной рудой.
