Дослідники Університету Міннесоти вперше довели, що поширена в штаті малочиста залізна руда підходить для синтезу напівпровідникового піриту (FeS₂), відомого як «дурне золото». Як повідомляє Newswise Science News, такий матеріал може стати основою дешевших і екологічніших електронних пристроїв.
Міннесота є одним із головних виробників залізної руди у США та забезпечує близько 75 % національного видобутку, що приносить понад 4 млрд доларів доходу щороку. Велику роль у цьому відіграє родовище Mesabi Iron Range і технологія переробки таконіту, розроблена в Університеті Міннесоти ще у XX столітті.
Пірит як незвичний напівпровідник
Пірит заліза — унікальний напівпровідниковий матеріал. Він складається з дуже поширених елементів, нетоксичний, дешевий і надзвичайно добре поглинає світло, що робить його перспективним для фотоелектричних та енергетичних застосувань.
Водночас усі напівпровідники дуже чутливі до домішок і дефектів, тому для високої якості зазвичай потрібна надчиста сировина. Це довгий час гальмувало спроби робити надійний напівпровідниковий пірит без складної та дорогої очистки вихідних матеріалів.
Команда під керівництвом професора Кріса Лейтонa (Chris Leighton) з кафедри хімічної інженерії та наук про матеріали несподівано з’ясувала, що пірит поводиться не як типовий напівпровідник: він виявився дивовижно стійким до домішок. Це наштовхнуло вчених на запитання, чи справді потрібна дуже чиста сировина, яку до цього використовували практично всі групи, що працювали з піритом.
Руда прямо з Iron Range без додаткової очистки
У своїй роботі дослідники взяли зразки залізної руди безпосередньо з Mesabi Iron Range та використали їх для синтезу піриту. Використовувалися прості технологічні процедури, без складних і дорогих етапів очищення.
Команда випробувала три різні типи залізної руди. Найкращий результат дав тип Direct Reduced Grade Taconite — одну з найпоширеніших марок, що застосовують у Міннесоті. Незважаючи на відносно низьку чистоту, ця руда в процесі обробки легко перетворювалася на пірит напівпровідникової якості.
За словами дослідників, було чимало причин очікувати, що це неможливо: велика кількість домішок, різні види мінералів у сировині, технологічні обмеження. Однак у реальному експерименті «брудні» руди з Iron Range конвертувалися у високоякісний пірит без жодних додаткових етапів очищення. Механізми, які роблять це можливим, команда нині вже добре розуміє.
Перспективи для чистої енергетики та електроніки
Використання доступної залізної руди для виробництва напівпровідникового піриту може відкрити нове джерело доходу для світової гірничодобувної галузі. Потенційні сфери застосування охоплюють широку низку чистих енергетичних технологій.
У майбутньому матеріали на основі піриту з руди Міннесоти можуть знайти застосування у:
- акумуляторах та інших типах батарей;
- сонячних панелях та фотодетекторах;
- електронних компонентах, де потрібні дешеві й нетоксичні напівпровідники;
- технологіях очищення води.
Наразі команда планує розширити дослідження на інші типи залізних руд, оскільки вони бувають у дуже різних марках і складах. Окремий напрям — перехід від масивних кристалів піриту до тонких плівок, які ближчі до реального використання в електронних та енергетичних пристроях.
До роботи, окрім Лейтонa, долучилися Йон Лі (Yeon Lee) та Кейтлін Комар (Caitlyn Komar) з кафедри хімічної інженерії та наук про матеріали, Дженніфер Т. Мітчелл (Jennifer T. Mitchell) з дослідницького центру характеристик матеріалів та кафедри наук про Землю й довкілля, а також Метт Млінар (Matt Mlinar), Джестос Тагута (Jestos Taguta) і Джордж Худак (George Hudak) з Інституту дослідження природних ресурсів.
Проєкт фінансувався Фондом охорони довкілля та природних ресурсів Міннесоти (Minnesota Environment and Natural Resources Trust Fund, ENRTF) за рекомендацією Громадської законодавчої комісії з природних ресурсів (LCCMR). До роботи були залучені також Дослідницький центр характеристик матеріалів Університету Міннесоти та Minnesota Nano Center.