کاربردهای اتصالات نانوالکترونیکی 3

اتصالات بین مواد مختلف فلزی، نیمه‎هادی و عایق دارای ساختار نواری منحصر به‎فرد و کاملاً متفاوت با ساختار نواری هر کدام از مواد تشکیل‌دهنده اتصال هستند. این ساختارهای نواری بخصوص منجر به بروز رفتارهای خاص در برابر عبور حامل‎های بار می‎شوند و کاربردهای گوناگونی در صنعت الکترونیک و نانوالکترونیک دارند. در مقاله حاضر، از کاربردهای مختلف این اتصالات، به «نانوحسگرها» و «سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی» اشاره شده است. نانوحسگرها برپایه ترانزیستورها و دیودهای ساخته شده از این اتصالات تولید می‌شوند و قابلیت شناسایی مواد مختلف را دارند. در کنار این کاربرد، اتصالات بین مواد نیمه‎هادی و محلول‎های الکترولیتی تشریح خواهند شد. این موضوع برای درک بهتر عملکرد سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی بسیار ضروری است. این اتصالات مشابه «اتصالات فلز-نیمه‌هادی» هستند و در سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی کاربرد دارند. در مقاله حاضر، علاوه‌بر نانوحسگرها، انواع سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی معرفی و تاثیر مواد نانوساختار بر عملکرد آنها تشریح خواهد شد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه

در مقالات قبلی با عناوین‎ «اتصالات نانوالکترونیکی: مبانی، فیزیک و کاربردها (1) و (2)»، اتصالات الکترونی «نیمه‎هادی-فلز» و «اتصالات نیم‎هادی-عایق-فلز» مورد بحث و بررسی قرار گرفتند و مبانی فیزیکی و ساختار نواری هرکدام از این اتصالات توصیف شدند. گفته شد که با اتصال این مواد به یکدیگر، ساختار نواری در مرز اتصال و اطراف آن تغییر می‌کند و می‎تواند خواص مختلفی را برای اتصال به‌وجود آورد. این خواص می‌توانند در تجهیزات مختلف الکترونیکی و نانوالکترونیکی امروزی مورد استفاده قرار گیرند. از جمله کاربردهای مختلف این اتصالات می‌توان به دیودهای n-p و شاتکی، سلول‎های خورشیدی، دیودهای نشردهنده نور و ترانزیستورها (ترانزیستورهای دوقطبی و اثرمیدان) اشاره کرد. این کاربردها در مقالات قبلی به‌تفصیل مورد بحث و بررسی قرار گرفتند. با این‎حال، اتصالات تنها به این کاربردها محدود نمی‎شوند. نانوحسگرها و سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی، دو دسته مهم دیگر از کاربردهای این اتصالات در حوزه نانوالکترونیک هستند. نانوحسگرها انواع مختلفی دارند و می‎توانند برپایه ترانزیستورهای اثرمیدان و یا دیودهای شاتکی ساخته شوند. از نانوحسگرها در شناسایی انواع مختلف مواد در فازهای جامد، مایع و گاز استفاده می‎شود. سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی نیز برپایه اتصال بین ماده نیمه‌هادی و محلول الکترولیت طراحی و ساخته می‌شوند. این اتصالات، فیزیک بسیار مشابهی با «اتصالات فلز-نیمه‌هادی دارند. در مقاله حاضر، انواع سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی به تفصیل مورد بررسی قرار می‌گیرند.

تاکنون طیف گسترده‌ای از حسگر‌های الکتروشیمیایی برپایه ترانزیستور اثرمیدان و دیود شاتکی ساخته شده‎اند. در این حسگرها، نحوه عملکرد «اتصال فلز-نیمه‎هادی» و «فلز-عایق-نیمه‎هادی»، نقش تعیین‌کننده‌ای در شناسایی عنصر خارجی دارد. بسته به نوع نانوحسگر و عنصر مورد نظر برای شناسایی، عنصر خارجی از روش‎های مختلفی بر روی عملکرد الکتریکی دیودهای شاتکی و ترانزیستورهای FET اثر می‎گذارد. یکی از روش‎های شناسایی عوامل خارجی، قرارگیری عناصر شناساگر (sensing elements) بر روی گیت FET است. این شناساگرها که بسته به عنصر مورد مطالعه متفاوت هستند، به‌طور ثابت بر روی گیت قرار می‎گیرند و عنصر خارجی با اتصال به این شناساگرها، نحوه پخش بار الکتریکی را روی گیت تغییر می‎دهند و باعث تغییر سطوح فرمی و ساختار نواری اتصال بین گیت-عایق-نیمه‎هادی در ترانزیستور می‎شوند. این دگرگونی‎ها منجر به تغییر اندازه کانال FET و خروجی ترانزیستور می‎شود. مقدار تغییرات در اندازه کانال و خروجی ترانزیستور FET، با مقدار عنصر مورد مطالعه رابطه مستقیم دارد. لذا با بررسی خروجی جریان می‎توان مقدار عنصر مورد مطالعه را در محیط شناسایی کرد. از این نوع روش می‎توان در شناسایی عناصر مختلف مانند یون‎ها در محلول، مواد بیولوژیکی، DNA و اسیدیته محلول استفاده کرد. برای مثال، شکل 1-الف شمایی از ترانزیستور اثرمیدان مبتنی بر نانوسیم سیلیکونی برای کاربرد در شناسایی اسیدیته محیط را نشان می‌دهد. سطح نانوسیم با ماده‎ای مخصوص پوشش داده می‎شود تا توانایی واکنش با محیط و تبادل پروتون را داشته باشد. همانطور که در شکل 1-ب مشاهده می‏شود، تغییر اسیدیته محلول منجر به تغییر پروتون‎های متصل به نانوسیم و تغییر چگالی بار بر روی ترانزیستور می‎شود. این تغییرات بر روی کانال ترانزیستور و خروجی آن تاثیر دارد و باعث شناسایی مقدار اسیدیته محیط می‎شود.

در رابطه با شناسایی عناصرگازی، یکی از روش‎ها، استفاده از ترانزیستورها و دیودهای شاتکی مبتنی بر نانوموادی است که توانایی واکنش مستقیم با عنصر مربوطه و شناسایی آن را دارند. به عنوان مثال، ترانزیستورها و دیودهای شاتکی مبتنی بر گرافن، توانایی شناسایی انواع گازها مانند NH₃ و NO را دارند. در نانوترانزیستورهای مبتنی بر گرافن، جذب سطحی مولکول‎های گازی باعث تغییر چگالی حامل‎های بار در آن و درنتیجه، تغییر عرض کانال ترانزیستور و جریان خروجی می‎شود. مقدار این تغییرات متناسب با غلظت گاز جذب شده است. همچنین، جذب گازها روی لایه گرافنی در نانودیودهای شاتکی منجر به تغییر ارتفاع مانع شاتکی در فصل‌مشترک گرافن-نیمه‎هادی می‎شود و بر روی جریان عبوری در حالت ولتاژ (بایاس) معکوس تاثیر می‎گذارد.

ترانزیستورهای بدون گیت نیز می‎توانند برای شناسایی گازها و مواد شیمیایی دیگر مورد استفاده قرار گیرند. در این ترانزیستورها از بدنه حساس به مواد شیمیایی مانند AlGaN/GaN استفاده می‎شود و همچنین قسمتی از گیت برداشته می‎شود تا گاز یا ماده شیمیایی توانایی ارتباط با بدنه را داشته باشد (شکل 2). در این ترانزیستورها می‎توان از مواد متخلخل به عنوان گیت استفاده کرد.

در بین گازهای مختلف، هیدروژن یکی از گازهایی است که به‌دلیل مسائل ایمنی و کاربرد گسترده در صنایع مختلف، نیاز به شناسایی سریع مقادیر کم آن در محیط است. حسگرهای مورد استفاده برای شناسایی این ماده، اغلب از اتصالات فلز-عایق یا فلز-نیمه‌هادی ساخته می‌شوند. جدای از نوع حسگر، جزء فلزی، یکی از اجزای سازنده این حسگرها به‌شمار می‌رود. فلز موجود در ترانزیستورهای FET و دیودهای شاتکی این حسگرها، هم به‌عنوان بخشی از حسگر و هم به‌عنوان کاتالیست تجزیه‎گر هیدروژن عمل می‎کند. فلز مورداستفاده در این تجهیزات معمولاً از جنس Pt، Pd و Ir است. در واقع، هیدروژن در سطح این فلزات تجزیه می‌شود و اتم‎‎های آن در فلز نفوذ می‌کنند و نهایتاً به فصل‌مشترک فلز-نیمه‎هادی یا فلز-عایق می‎رسند. دلیل نفوذ اتم هیدروژن، کوچک بودن آن است. این ویژگی، توانایی حرکت بین‌نشین در ساختار انواع فلزات را برای اتم‌های هیدروژن فراهم می‌کند. اتم‎های نفوذکننده به فصل‌مشترک باعث تغییر ساختار نواری فصل‌مشترک و تغییر عملکرد دستگاه می‎شوند. با بررسی این تغییر (تغییر در جریان خروجی)، غلظت گاز به‌دست می‎آید. برای مثال، اتم‎های هیدروژن نفوذ‌کننده به فصل‌مشترک در دیودهای شاتکی باعث تشکیل دوقطبی‎‌‎هایی در مرز اتصال می‎شوند. تشکیل این دوقطبی‎ها، سد انرژی (مانع شاتکی) در فصل‌مشترک را کاهش می‌دهد. لذا در حالت ولتاژ (بایاس) معکوس، افزایش غلظت هیدروژن در محیط باعث کاهش بیشتر مانع شاتکی، کاهش ولتاژ شکست، و افزایش جریان معکوس (از لحاظ عددی) می‎شود.

استفاده از نیمه‎هادی‎های نانوساختار در شناساگرهای دیود شاتکی، باعث تشکیل بیشتر دوقطبی در گوشه‎های نانوذرات در فصل مشترک نانوذرات-کاتالیست (فلز) می‎شود. لذا باعث کاهش بیشتر مانع شاتکی (شکل 3) و ولتاژ شکست و افزایش بیشتر جریان معکوس می‎شود. از این‌رو، استفاده از مواد نانوساختار باعث افزایش حساسیت دیود می‎شود.

همانطور که از نام این سلول‎ها مشخص است، سه پارامتر «نور»، «الکترون» و «واکنش شیمیایی» در آن بسیار موثر هستند. این سلول‎ها از یک‌ سری مواد نیمه‎هادی تشکیل می‎شوند که در مجاورت یک محلول الکترولیت قرار دارند. نور برخوردی به نیمه‎هادی موجب تهییج الکترون و تولید جفت الکترون-حفره می‎شود. الکترون‎ها و حفرات با رسیدن به الکترولیت باعث انجام واکنش‎های شیمیایی در محلول الکترولیت و بر روی سطح نیمه‎هادی می‎شوند. قبل از بررسی انواع سلول‎ها و نحوه عملکرد آنها، ابتدا به ساختار نواری اتصال بین نیمه‎هادی و محلول الکترولیت پرداخته می‌شود.

یکی از انواع اتصالات الکترونیکی، اتصال بین ماده نیمه‎هادی و محلول الکترولیت است. فیزیک این اتصال بسیار شبیه فیزیک «اتصال فلز-نیمه‎هادی» است که در مقاله قبلی با عنوان «مبانی و فیزیک اتصالات نانوالکترونیکی 1» به‌تفصیل مورد بحث و بررسی قرار گرفت. مشابه مواد فلزی و نیمه‌هادی که در آنها پارامتری به نام «سطح فرمی» تعریف شده است، در محلول‌های الکترولیت نیز پارامتری موسوم به «پتانسیل اکسایش» تعریف می‎شود. پتانسیل اکسایش در محلول‌ الکترولیت، مفهومی مشابه با سطح فرمی در مواد جامد دارد. حال فرض کنید سطح فرمی نیمه‎هادی با پتانسیل اکسایش الکترولیت برابر نباشد. در این حالت، با اتصال نیمه‎هادی به الکترولیت، جریان الکتریکی برقرار می‎شود تا سطح فرمی و پتانسیل اکسایش برابر شوند. در چنین شرایطی، بسته به نوع نیمه‌هادی و اختلاف اولیه سطح فرمی و پتانسیل اکسایش، سطح الکترولیت ممکن است بار منفی و یا مثبت به‌خود بگیرد. در این صورت، مانند اتصال فلز-نیمه‎هادی، نوارهای انرژی در ماده نیمه‎هادی، در مرز اتصال، به پایین و یا بالا خم می‎شوند.

حالت‌های ممکن برای شرایط مختلف قرارگیری سطح فرمی ماده نیمه‎هادی نوع n نسبت به سطح اکسایش الکترولیت (قبل از اتصال) در شکل 4 نشان داده شده‎است. در حالت (الف)، سطح اکسایش الکترولیت و سطح فرمی نیمه‌هادی قبل از اتصال با یکدیگر برابر هستند. در نتیجه، بعد از اتصال، جریانی برقرار نمی‌شود و هیچ تغییری در ساختار نواری به‎وجود نمی‎آید. در حالت (ب)، سطح اکسایش الکترولیت قبل از اتصال، بالاتر از سطح فرمی نیم‎هادی است. در نتیجه، با اتصال این دو ماده به یکدیگر، الکترون‎ها از سطح الکترولیت به سطح نیمه‌هادی شارش می‎کنند تا زمانی‌که سطح فرمی و سطح اکسایش برابر شوند. لذا الکترولیت بار مثبت به‎خود می‎گیرد و باعث جمع شدن بارهای منفی در سطح نیم‎هادی می‎شود. افزایش حامل بار منفی باعث کاهش فاصله بین سطح فرمی و لبه پایینی نوار هدایت نیمه‌هادی می‎شود. اما از آنجایی‌که سطح فرمی ثابت و برابر با سطح اکسایش باقی می‎ماند، نوار هدایت و به‌تبع آن، نوار ظرفیت نیمه‌هادی به‌سمت پایین خم می‎شود. در حالت (پ) نیز در ابتدا سطح فرمی نیمه‌هادی نوع n بالاتر از سطح پتانسیل اکسایش الکترولیت قرار دارد. لذا با اتصال این دو ماده به یکدیگر، الکترون‎ها از نیمه‌هادی (با سطح انرژی بالاتر) به‌سمت الکترولیت (با سطح انرژی پایین‎تر) جریان می‎یابند تا زمانی‌که سطح فرمی نیمه‎هادی و سطح اکسایش الکترولیت هم‌سطح شوند. در این حالت، بارهای منفی در سطح الکترولیت جمع شده و موجب پس زده شدن الکترون‎ها از سطح نیمه‎هادی به داخل آن می‎شوند. کاهش حامل بار منفی در سطح نیمه‌هادی باعث افزایش فاصله بین سطح فرمی نیمه‌هادی و لبه پایینی نوار هدایت آن می‎شود. اما از آن‎جایی‌که سطح فرمی باید ثابت بماند، نوار هدایت و به‌تبع آن، نوار ظرفیت ماده نیمه‌هادی به طرف بالا خم می‎شود. در حالت (ت) نیز مشاهده می‌شود که اگر فاصله بین سطح فرمی نیمه‌هادی و سطح اکسایش الکترولیت زیاد باشد، باعث جمع شدن چگالی بالای بار در سطوح و خمش شدید نوار هدایت و ظرفیت نیمه‌هادی می‎شود. در صورتی‌که نوار ظرفیت نیمه‌هادی نوع n به نزدیکی سطح فرمی آن برسد، نیمه‌هادی به نوع p تبدیل شده و لایه معکوس به‎وجود می‎آید. لایه معکوس به تفصیل در مقاله قبلی با عنوان «مبانی و فیزیک اتصالات نانوالکترونیکی 2» مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

در صورت تابش نور به نیمه‌هادی متصل به الکترولیت، اگر انرژی پرتوی نوری بیشتر از انرژی نوار ممنوعه نیمه‌هادی باشد، می‌تواند الکترون‎های نیمه‌هادی را‌ تهییج کند و باعث به‌وجود آمدن جفت الکترون-حفره‌های جدید شود. از طرف دیگر، لایه‎های ظرفیت و هدایت در فصل‌مشترک خم می‌شوند و باعث جدایش الکترون-حفره‎های تولیدی می‎شوند. حامل‌های بار به‌جود آمده می‌توانند در تولید جریان خارجی یا تولید سوخت مورد استفاده قرار گیرند. در بخش بعدی به معرفی انواع این سلول‎ها و نحوه عملکرد آنها پرداخته خواهد شد.

به‎طور کلی، از سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی برای دو منظور عمده استفاده می‌شود: (1) تولید جریان خارجی (الکتریسیته) و (2) تولید مواد (سوخت). به آن دسته از سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی که برای تولید الکتریسیته به‌کار می‎روند، سلول‎های احیاکننده (regenerative cells) و به آنهایی که برای تولید مواد (سوخت) با استفاده از انجام واکنش‌های شیمیایی به‌کار می‎روند، سلول‎های فوتوسنتزی (photosynthetic cells) گفته می‎شود. از مهم‌ترین مواد (سوخت) تولیدی سلول‎های فوتوسنتزی می‎توان به هیدروژن حاصل از شکافت آب و ترکیبات هیدروکربنی حاصل از احیای CO₂ اشاره کرد.

شکل 5 شمایی از سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی احیاکننده و فوتوسنتزی را نشان می‌دهد. فرض شده است که سطح فرمی نیمه‌هادی بالاتر از پتانسیل اکسایش الکترولیت است. در این صورت، در سلول احیاکننده، سطوح انرژی الکترود نیمه‌هادی پس از تماس با الکترولیت، به‌سمت بالا خم می‌شود. با برخورد نور، الکترون‎های لایه ظرفیت تهییج شده و به نوار هدایت می‎روند و حفره الکترونی به‎جای می‎گذارند. الکترون تهییج شده از سراشیبی نوار هدایت به بیرون حرکت کرده و در تولید جریان خارجی مشارکت می‎کند و سپس به الکترود مقابل می‎رسد. حفره تولیدی در نوار ظرفیت نیز از سراشیبی نوار ظرفیت بالا رفته و عامل اکسید شونده در الکترولیت را اکسید می‎کند. این عامل اکسید شده در الکترود مقابل، با الکترون واکنش داده و احیا می‎شود. از این‎رو هیچگونه اثر شیمیایی در پایان واکنش باقی نمی‎ماند و سلول به حالت اولیه خود باز می‌گردد.

به‌طور مشابه، در سلول‌های فوتوسنتزی که برای تولید هیدروژن استفاده می‎شود، الکترون تولیدی به الکترود مقابل مهاجرت کرده و با یون مثبت هیدروژن واکنش داده و هیدروژن تولید می‎کند. حفره نیز با یون منفی اکسیژن واکنش داده و اکسیژن تولید می‎شود. از این رو، محلول الکترولیت (در اینجا، آب) به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می‎شود. در واقع، برعکس سلول احیاکننده، در این سلول‎ها واکنش شیمیایی در جهت عکس انجام نمی‎شود و سلول به حالت اولیه خود باز نمی‎گردد.

از یک دهه گذشته تاکنون، تحقیق و توسعه بر روی سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی نانوساختار به‎شدت افزایش یافته ‎است. عملکرد نیمه‌هادی به‌کار رفته در این سلول‎ها به‎شدت بستگی به ابعاد اجزای سازنده آن دارد. زمانی‎که نیمه‌هادی به‌کار رفته صفربعدی (0D) باشد (مانند نقاط کوانتومی)، منظور از اندازه نانوساختار، قطر آن ذره است. زمانی که ساختار مواد در مقیاس نانو تغییر پیدا می‎کند، ماده مورد نظر خواص متفاوتی از خود نشان می‎دهد. در حالت کلی، از چندین جنبه زیر می‌توان تأثیر نانوساختارها بر روی عملکرد سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی را بررسی کرد:

با کاهش اندازه اجزای تشکیل‌دهنده الکترود تا مقیاس نانو، درصد اتم‎ها یا یون‎هایی که در سطح بیرونی الکترود قرار می‎گیرند افزایش می‌یابد و نسبت سطح به حجم ماده بیشتر می‌شود. از آن‎جایی‌که واکنش‎های شیمیایی مربوط به سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی، در محل تماس سطح نیمه‌هادی با الکترولیت اتفاق می‎افتند، افزایش نسبت سطح به حجم نیمه‌هادی، واکنش‎های شیمیایی و بازده سلول را افزایش می‎دهد.

با کاهش اندازه اجزای تشکیل‌دهنده الکترود تا مقیاس نانو، رفتار الکتریکی مواد نیز تغییر می‎کند. برای مثال، با کاهش اندازه اجزای سازنده نیمه‌هادی به اندازه شعاع اتم بور، حرکت حامل‎های بار در اثر محدودیت کوانتومی (quantum confinement effect) محدود می‌شود و ساختار نواری به حالت گسسته در می‌آید. به عبارت دیگر، با کاهش ابعاد ماده، نوارهای انرژی جای خود را به سطوح مجزا و گسسته انرژی می‌دهند. از طرف دیگر، عرض نوار ممنوعه در نیمه‌هادی‌های مختلف مانند نیمه‌هادی‌های نقطه‌کوانتومی رابطه عکس با اندازه فیزیکی آنها دارد. لذا با کنترل اندازه نانوساختارهای نیمه‌هادی می‎توان عرض نوار ممنوعه آنها را کنترل کرد. برای مثال، سولفید مولیبدن (MoS₂) در حالت بالک (bulk)، نوار ممنوعه‎ای برابر با 1/1 الکترون‌ولت دارد و از این حیث، برای انجام واکنش تولید هیدروژن در سلول فوتوالکتروشیمیایی مناسب نیست. این درحالی است که اگر تک‎لایه MoS₂، ضخامتی درحدود 7 آنگستروم داشته باشد، عرض نوار ممنوعه آن برابر 1/9 الکترون‌ولت خواهد بود. این مقدار برای انجام واکنش یادشده بسیار مناسب است.

ضخامت لایه نیمه‌هادی بر روی جذب نور نیز تاثیر دارد. شدت نور جذب شده در هر عمقی از سطح ماده، با عمق آن به‎صورت نمایی رابطه معکوس دارد. برای مثال، در عمق بیش از 354 نانومتری، لایه Fe₂O₃ فقط 5 درصد نور با طول موج 550 نانومتر را جذب می‎کند. در واقع، 95% نور برخوردی در عمق‎های کمتر از 354 نانومتر جذب می‎شود. از این‎رو، ضخامت لایه نیمه‌هادی Fe₂O₃ در سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی باید کمتر از این مقدار باشد.

اندازه اجزای سازنده الکترود نیمه‌هادی سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی، بر روی بازده جدایش الکترون-حفره تأثیر می‎گذارد. الکترون‌ها و حفره‌‎های جدا شده در اثر برخورد نور، بعد از طی مسافت معینی دوباره با حفره‌ها و الکترون‌های موجود در نیمه‌هادی بازترکیب شده و از بین می‎روند. از این‎رو، ضخامت نیمه‌هادی در این سلول‎ها باید کمتر از این مقدار باشد تا جفت الکترون-حفره‎های تولید شده از بین نروند. برای مثال، طول نفوذ حامل بار اقلیت (حفره‌ها) در نیمه‌هادی Fe₂O₃ حدود 2-4 نانومتر است. با توجه به اینکه ضخامت لایه تهی (ضخامتی که در آن خمش نوارها اتفاق می‎افتد) حدود 7 نانومتر است، ضخامت بهینه برای Fe₂O₃ در سلول فوتوالکتروشیمیایی حدود 11 نانومتر می‌باشد.

شکل 6 شمایی از نیمه‌هادی‌های صفربعدی، یک‌بعدی، دوبعدی و سه‌بعدی با قابلیت استفاده در سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی را به همراه تصاویر میکروسکوپ الکترونی از نمونه‎ واقعی آنها نشان می‌دهد.

در این مقاله، کاربرد اتصالات مواد مختلف در نانوحسگرها و سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی تشریح شدند. انواع نانوحسگرهای مبتنی بر نانوترانزیستورها و نانودیودها که هر یک عملکرد بخصوصی برای شناسایی مواد دارند، مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین، اتصالات بین مواد نیمه‌هادی و محلول‎های الکترولیتی معرفی و توصیف شدند. گفته شد که فیزیک این اتصالات، مشابه اتصال فلز-نیمه‌هادی است و قرارگیری نیمه‌هادی در معرض محلول الکترولیتی باعث ایجاد تغییرات مشابه در ساختار نواری نیمه‌هادی می‎شود. از این اتصالات در سلول‎های فوتوالکتروشیمیایی استفاده می‎شود. این سلول‎ها به دو دسته احیاکننده و فوتوسنتزی تقسیم می‌شوند. همچنین کاربرد و نقش مواد نانوساختار در بازده این سلول‌ها به تفصیل در این مقاله مورد بررسی قرار گرفت.