We report that by engineering the intra-gap defect related energy states in GaN nanowire arrays using Mg dopants, efficient and stable overall neutral water splitting can be achieved under violet light. Overall neutral water splitting on Rh/Cr2O3 co-catalyst decorated Mg doped GaN nanowires is demonstrated with intra-gap excitation up to 450 nm. Through optimized Mg doping, the absorbed photon conversion efficiency of GaN nanowires reaches ∼43% at 375–450 nm, providing a viable approach to extend the solar absorption of oxide and non-oxide photocatalysts.
References
1.
Y.
Tachibana
, L.
Vayssieres
, and J. R.
Durrant
, Nat. Photonics
6
, 511
(2012
).2.
A.
Kudo
and Y.
Miseki
, Chem. Soc. Rev.
38
, 253
(2009
).3.
R.
Asahi
, T.
Morikawa
, T.
Ohwaki
, K.
Aoki
, and Y.
Taga
, Science
293
, 269
(2001
).4.
K.
Maeda
, K.
Teramura
, D.
Lu
, T.
Takata
, N.
Saito
, Y.
Inoue
, and K.
Domen
, Nature
440
, 295
(2006
).5.
H.
Tong
, S.
Ouyang
, Y.
Bi
, N.
Umezawa
, M.
Oshikiri
, and J.
Ye
, Adv. Mater.
24
, 229
(2012
).6.
K.
Maeda
, J. Photochem. Photobiol., C
12
, 237
(2011
).7.
K.
Maeda
, K.
Teramura
, N.
Saito
, Y.
Inoue
, and K.
Domen
, Bull. Chem. Soc. Jpn.
80
, 1004
(2007
).8.
D.
Wang
, A.
Pierre
, M. G.
Kibria
, K.
Cui
, X.
Han
, K. H.
Bevan
, H.
Guo
, S.
Paradis
, A.-R.
Hakima
, and Z.
Mi
, Nano Lett.
11
, 2353
(2011
).9.
M. G.
Kibria
, S.
Zhao
, F. A.
Chowdhury
, Q.
Wang
, H. P. T.
Nguyen
, M. L.
Trudeau
, H.
Guo
, and Z.
Mi
, Nat. Commun.
5
, 3825
(2014
).10.
M. G.
Kibria
, H. P. T.
Nguyen
, K.
Cui
, S.
Zhao
, D.
Liu
, H.
Guo
, M. L.
Trudeau
, S.
Paradis
, A.-R.
Hakima
, and Z.
Mi
, ACS Nano
7
, 7886
(2013
).11.
X.
Chen
, C.
Li
, M.
Graetzel
, R.
Kostecki
, and S. S.
Mao
, Chem. Soc. Rev.
41
, 7909
(2012
).12.
S.
Fernández-Garrido
, V. M.
Kaganer
, K. K.
Sabelfeld
, T.
Gotschke
, J.
Grandal
, E.
Calleja
, L.
Geelhaar
, and O.
Brandt
, Nano Lett.
13
, 3274
(2013
).13.
J. E.
Northrup
and J.
Neugebauer
, Phys. Rev. B
53
, R10477
(1996
).14.
F.
Furtmayr
, M.
Vielemeyer
, M.
Stutzmann
, J.
Arbiol
, S.
Estrade
, F.
Peiro
, J. R.
Morante
, and M.
Eickhoff
, J. Appl. Phys.
104
, 034309
(2008
).15.
Y.
Park
, J.
Na
, R.
Taylor
, C.
Park
, K.
Lee
, and T.
Kang
, Nanotechnology
17
, 913
(2006
).16.
F.
Furtmayr
, M.
Vielemeyer
, M.
Stutzmann
, A.
Laufer
, B. K.
Meyer
, and M.
Eickhoff
, J. Appl. Phys.
104
, 074309
(2008
).17.
Y.
Koide
, D. E.
Walker
, B. D.
White
, L. J.
Brillson
, M.
Murakami
, S.
Kamiyama
, H.
Amano
, and I.
Akasaki
, J. Appl. Phys.
92
, 3657
(2002
).18.
D. J.
Dewsnip
, J. W.
Orton
, D. E.
Lacklison
, L.
Flannery
, A. V.
Andrianov
, I.
Harrison
, S. E.
Hooper
, T. S.
Cheng
, C. T.
Foxon
, S. N.
Novikov
et al., Semicond. Sci. Technol.
13
, 927
(1998
).19.
B. Z.
Qu
, Q. S.
Zhu
, X. H.
Sun
, S. K.
Wan
, Z. G.
Wang
, H.
Nagai
, Y.
Kawaguchi
, K.
Hiramatsu
, and N.
Sawaki
, J. Vac. Sci. Technol., A
21
, 838
(2003
).20.
C. G.
Van de Walle
and J.
Neugebauer
, J. Appl. Phys.
95
, 3851
(2004
).21.
R.
Kirste
, M. P.
Hoffmann
, J.
Tweedie
, Z.
Bryan
, G.
Callsen
, T.
Kure
, C.
Nenstiel
, M. R.
Wagner
, R.
Collazo
, A.
Hoffmann
et al., J. Appl. Phys.
113
, 103504
(2013
).22.
H.
Harima
, T.
Inoue
, S.
Nakashima
, M.
Ishida
, and M.
Taneya
, Appl. Phys. Lett.
75
, 1383
(1999
).23.
A.
Kaschner
, H.
Siegle
, G.
Kaczmarczyk
, M.
Straßburg
, A.
Hoffmann
, C.
Thomsen
, U.
Birkle
, S.
Einfeldt
, and D.
Hommel
, Appl. Phys. Lett.
74
, 3281
(1999
).24.
Q.
Wang
, X.
Liu
, M. G.
Kibria
, S.
Zhao
, H. P. T.
Nguyen
, K. H.
Li
, Z.
Mi
, T.
Gonzalez
, and M. P.
Andrews
, Nanoscale
6
, 9970
(2014
).25.
U.
Kaufmann
, M.
Kunzer
, M.
Maier
, H.
Obloh
, A.
Ramakrishnan
, B.
Santic
, and P.
Schlotter
, Appl. Phys. Lett.
72
, 1326
(1998
).26.
J.
Wu
, J. Appl. Phys.
106
, 011101
(2009
).27.
X.
Wang
, K.
Maeda
, A.
Thomas
, K.
Takanabe
, G.
Xin
, J. M.
Carlsson
, K.
Domen
, and M.
Antonietti
, Nat. Mater.
8
, 76
(2009
).28.
T.
Iwanaga
, T.
Suzuki
, S.
Yagi
, and T.
Motooka
, J. Appl. Phys.
98
, 104303
(2005
).29.
C. G.
Van de Walle
and J.
Neugebauer
, Nature
423
, 626
(2003
).30.
K.
Maeda
, N.
Sakamoto
, T.
Ikeda
, H.
Ohtsuka
, A.
Xiong
, D.
Lu
, M.
Kanehara
, T.
Teranishi
, and K.
Domen
, Chem. Eur. J.
16
, 7750
(2010
).31.
K.
Maeda
, K.
Teramura
, D.
Lu
, N.
Saito
, Y.
Inoue
, and K.
Domen
, J. Phys. Chem. C
111
, 7554
(2007
).32.
R. J.
Molnar
, T.
Lei
, and T. D.
Moustakas
, Appl. Phys. Lett.
62
, 72
–74
(1993
).33.
E.
Arushanov
, S.
Siebentritt
, T.
Schedel-Niedrig
, and M. C.
Lux-Steiner
, J. Phys: Condens. Matter
17
, 2699
(2005
).34.
D. C.
Look
, D. C.
Reynolds
, W.
Kim
, Ö.
Aktas
, A.
Botchkarev
, A.
Salvador
, and H.
Morkoç
, J. Appl. Phys.
80
, 2960
–2963
(1996
).35.
P.
Kozodoy
, H.
Xing
, S. P.
DenBaars
, U. K.
Mishra
, A.
Saxler
, R.
Perrin
, S.
Elhamri
, and W. C.
Mitchel
, J. Appl. Phys.
87
, 1832
–1835
(2000
).36.
T.
Kinoshita
, T.
Obata
, H.
Yanagi
, and S. I.
Inoue
, Appl. Phys. Lett.
102
, 012105
(2013
).37.
D. C.
Look
, Z. Q.
Fang
, J. W.
Look
, and J. R.
Sizelove
, J. Electrochem. Soc.
141
, 747
–750
(1994
).38.
U.
Kaufmann
, P.
Schlotter
, H.
Obloh
, K.
Köhler
, and M.
Maier
, Phys. Rev. B
62
, 10867
(2000
).39.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4915609 for detailed calculation of efficiency.
© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.