Instrument an BESSY II zeigt, wie Licht MoS2-Dünnschichten katalytisch aktiviert |
Dünnschichten aus Molybdän und Schwefel gehören zu einer Klasse von Materialien, die als (Photo)-Katalysatoren infrage kommen. Solche günstigen Katalysatoren werden gebraucht, um mit Sonnenenergie auch den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Allerdings sind sie bislang noch wenig effizient. Ein neues Instrument an BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zeigt nun, wie ein Lichtpuls die Oberflächeneigenschaften der Dünnschicht verändert und das Material katalytisch aktiviert.
MoS2-Dünnschichten sind aus abwechselnden Lagen von
Molybdän-Atomen und Schwefel-Atomen aufgebaut, die sich zu
zweidimensionalen Schichten übereinanderlegen. Das Material ist ein
Halbleiter. Aber schon ein blauer Lichtpuls mit überraschend geringer
Intensität genügt, um die Eigenschaften der Oberfläche zu verändern und
sie metallisch zu machen. Dies hat nun ein Team an BESSY II gezeigt.
Das
Spannende daran: In dieser metallischen Phase sind die MoS2-Schichten
auch katalytisch besonders aktiv. Sie lassen sich dann zum Beispiel als
Katalysatoren für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
einsetzen. Damit könnten sie als preiswerte Katalysatoren die Produktion
von Wasserstoff ermöglichen – einem Energieträger, dessen Verbrennung
kein CO2, sondern nur Wasser produziert.
Die Physikerin Dr. Nomi
Sorgenfrei und ihr Team haben an BESSY II ein neues Instrument
aufgebaut, um die Veränderungen an den Proben durch Bestrahlung mit
ultrakurzen, schwachen Lichtpulsen mithilfe von zeitaufgelöster
Elektronenspektroskopie für die chemische Analytik (trESCA) exakt zu
vermessen. Diese Lichtpulse werden an BESSY II mit Femtoslicing erzeugt
und sind daher von geringer Intensität. Das neue Instrument
„SurfaceDynamics@FemtoSpeX“ kann auch aus diesen schwachen Lichtpulsen
in kurzer Zeit aussagekräftige Messdaten von Elektronenenergien,
Oberflächenchemie und zeitlichen Veränderungen gewinnen.
Die
Analyse der experimentellen Daten zeigte, dass der Lichtpuls zu einer
vorübergehenden Ladungsakkumulation an der Oberfläche der Probe führt,
was den Phasenübergang an der Oberfläche von einem halbleitenden Zustand
in einen metallischen Zustand auslöst.
„Dieses Phänomen sollte
auch in anderen Vertretern dieser Materialklasse von p-dotierten
halbleitenden Dichalkogeniden auftreten, sodass sich daraus
Möglichkeiten ergeben, um die Funktionalität und katalytische Aktivität
gezielt zu beeinflussen“, erklärt Sorgenfrei.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=22585;sprache=de;seitenid=1
Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (03/2020)
Publikation: Photo-driven transient picosecond top-layer semiconductor to metalic phase transition in p-doped MoS2 Nomi
L. A. N. Sorgenfrei, Stefan Neppl, Raphael M. Jay, Danilo Kühn, Erika
Giangrisostomi, Hikmet Sezen, Ruslan Ovsyannikov, Svante Svensson, and
Alexander Föhlisch DOI: 10.1002/adma.202006957 OPEN ACESS |