08.03.2021

Wie Licht MoS2-Dünnschichten katalytisch aktiviert

Neues Instrument an BESSY II zeigt, wie ein Lichtpuls die Eigenschaften der Dünnschicht verändert.

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 zeigt jetzt, wie ein Lichtpuls die Ober­flächen­eigen­schaften der Dünn­schicht verändert und das Material katalytisch aktiviert.

Abb.: Ein Licht­puls löst einen Phasen­über­gang von der halb­leiten­den...
Abb.: Ein Licht­puls löst einen Phasen­über­gang von der halb­leiten­den in die metal­lische Phase aus und ver­stärkt so die kata­ly­tische Akt­ivi­tät. (Bild: M. Künsting, HZB)

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. 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.

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 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.

HZB / RK

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