Открытие может открыть более доступный и экологичный способ производства материалов для электронных устройств и технологий чистой энергетики.
Миннесота является крупнейшим центром добычи железной руды в США. На штат приходится около 75% американской добычи, которая приносит более $4 млрд дохода в год. Значительная часть железной руды добывается в районе Iron Range, где расположено месторождение Месаби-Рейндж. Развитие отрасли здесь десятилетиями связано с переработкой таконита — низкосортной железной руды. Технологию ее переработки разработал Эдвард Уилсон Дэвис из Университета Миннесоты.
Теперь исследователи обнаружили, что этот ресурс можно использовать не только для производства железа. Их интересовал пирит — сульфид железа FeS₂, который обладает свойствами полупроводника.
Пирит особенно интересен для таких технологий, поскольку хорошо поглощает свет, состоит из широко распространенных химических элементов, не является токсичным и относительно недорог. Поэтому ученые давно рассматривают его как перспективный материал для солнечной энергетики, электроники и других технологий.
Однако производство полупроводников требует очень чистых материалов. Даже небольшие примеси и дефекты могут изменить их свойства. Поэтому исследователи предполагали, что для получения качественного полупроводникового пирита потребуется предварительно очищать железную руду.
Вместо этого команда взяла образцы руды непосредственно из района Iron Range и проверила, можно ли получить из них пирит полупроводникового качества.
Результат оказался неожиданным: материал удалось получить с помощью относительно простого процесса без дополнительных этапов очистки.
— Мы поняли, что пирит на самом деле не похож на типичный полупроводник — он на удивление устойчив к примесям, — рассказал старший автор исследования, заслуженный профессор химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты Крис Лейтон.
Ученые испытали три разных типа железной руды. Лучший результат показал таконит категории прямого восстановления, один из широко используемых видов руды в Миннесоте.
По словам Лейтона, исследователи ожидали, что примеси в низкосортной руде могут помешать получить материал необходимого качества. Однако в ходе эксперимента руда непосредственно из месторождения превращалась в пирит полупроводникового качества без дополнительной очистки.
Ученые считают, что открытие может создать новое направление использования местных минеральных ресурсов и снизить стоимость производства некоторых материалов для современных технологий.
Потенциальные области применения пирита включают аккумуляторы, солнечные панели, электронные устройства и технологии очистки воды. При этом исследователи подчеркивают, что работа пока находится на ранней стадии.
Следующим этапом станет изучение других разновидностей железной руды, поскольку ее состав и свойства могут значительно различаться. Кроме того, команда планирует перейти от производства объемных кристаллов пирита к тонким пленкам. Именно такие материалы имеют большее значение для практического применения в электронных и энергетических устройствах.