Долгоживущие центры фотокатализа, создаваемые в ZnO резонансным возбуждением экситона

ZnO является, наряду с TiO$_{2}$ основным фотокатализатором для широкого класса окислительно-восстановительных реакций, используемых для преобразования световой энергии в химическую и очистки окружающей среды. Показано, что создание в ZnO поверхностных собственных дефектов – вакансий в анионной и катионной подрешетках (центры F-типа и V-типа) позволяет создать долгоживущие (до 10$^{3}$ s) центры фотокатализа и таким образом принципиально (в десятки раз) увеличить величину квантового выхода реакций. Медленные поверхностные состояния – центры фотокатализа – создаются диффузией электронов и дырок, генерируемых при межзонных переходах в объеме фотоактивированного образца. Однако эффективность переноса резко снижается из-за рекомбинации носителей заряда и потерь при преодолении поверхностного барьера Шоттки.
В настоящей работе для снижения указанных потерь при переносе энергии на поверхность использованы нейтральные носители энергии – экситоны. Высокая (60 meV) энергия связи экситона в ZnO позволяет ему без распада перемещаться при комнатной температуре. Потери энергии экситона на излучение в наших экспериментах эффективно снижены формированием поверхностной 2$D$-структуры. Полученные результаты подтверждают высокую эффективность экситонного канала образования поверхностных долгоживущих F- и V-центров фотокатализа в процессах фотоадсорбции и фотодесорбции кислорода, имитирующих полный цикл окислительно-восстановительной фотокаталитической реакции.