Forschung

Materialien für die Katalyse

In der heterogenen Katalyse, also der Umwandlung von gasförmigen Stoffen auf festen Oberflächen werden metallische Nanopartikel auf oxidischen Trägermaterialien eingesetzt. Die katalytischen Eigenschaften des Systems werden einerseits durch das Metall festgelegt, andererseits spielt jedoch auch Wechselwirkungen zwischen Metall und Oxid eine wichtige Rolle, wenn auf dem Oxid ein Teil der Reaktionen vorbereitet wird oder abläuft. Proben, die Oxide auf Metalloberflächen aufweisen bieten die Möglichkeit diese Wechselwirkungen gezielt zu untersuchen, das System für das Experiment invertiert, die Oberfläche wird zu einem inversen Modell-Katalysator. Dieser Ansatz bietet zudem den Vorteil, dass er die Nutzung weit entwickelter Methoden der Oberflächenphysik erlaubt, die auf der Verwendung von Elektronen basieren. Hierzu zählen die Photoemissionsspektroskopie, die Elektronenbeugung und die Elektronenmikroskopie. Gegenwärtig untersuchen wir zwei unterschiedliche Materialien für Anwendungen in der heterogenen Katalyse.

Ceroxid ist eines der wenigen reduzierbaren Oxide, das Cer-Ion kann dabei im Oxid dreizählig (Ce2O3) und/oder vierzählig (CeO2) auftreten und die Oxide können sich je nach vorliegenden Umgebungsbedingungen ineinander umwandeln. So kann Ceroxid in Reaktionen als Sauerstoffquelle oder -speicher zu fungieren. Diese Eigenschaft wird heute bereits bei Automobilkatalysatoren genutzt. Wir untersuchen die Abhängigkeit dieser funktionellen Eigenschaft von den auftretenden Strukturen um neue Ansätze für effektivere Katalysatoren zu identifizieren. Als Substrate werden die Metalle verwendet, die in realen Katalysatoren als metallischen Nanopartikel aufgebracht werden.

In einem zweiten Ansatz untersuchen wir Metalloberflächen, um die Eigenschaften der beschriebenen Metall-Nanopartikel zu verstehen und zu verbessern. Ein aktuelles Beispiel ist die Untersuchung der Oxidation von Pt-Sn Oberflächenlegierungen auf Kristalloberflächen. Um die Nanopartikel in ihren chemischen Eigenschaften hinsichtlich der auf ihnen ablaufenden Reaktionen zu optimieren werden diesen häufig gezielt andere Metalle beigefügt, die an der Oberfläche des Nanokristalls zur Ausbildung einer Oberflächenlegierung führen. Da die nano-Kristalle wegen ihrer geringen Größe und Dichte experimentell nur sehr schwer zugänglich sind, ist auch hier ein Modellsystem nötig. Wir verwenden hierfür die Oberflächen von Legierungskristallen und metallische Oberflächenlegierungen. In diesem Beispiel verbessert die Beimischung von Zinn die Stabilität von Platin-basierten Katalysatoren gegen Ablagerungen aus Kohlenstoff und verbessert die chemischen Eigenschaften des Katalysators. Konkret untersuchen wir die Oxidation von Pt-Sn Oberflächenlegierungen, hierfür kommen sowohl Platinkristalle als auch Kristalle aus einer Pt₃Sn-Legierung zum Einsatz. Zur Oxidation wird sowohl molekularer als auch atomarer Sauerstoff eingesetzt, der bei extrem hoher Temperatur aus molekularem Sauerstoff erzeugt wird.

Materialien für Halbleiter- und Kommunikationstechnologie

Die Halbleitertechnologie hat sich in den vergangenen 50 Jahren rasant entwickelt. Die Basis hierfür bildeten die herausragenden Eigenschaften von Silizium. Mittlerweile sind die Strukturen moderner Elektronikbauelemente auf Siliziumbasis jedoch so klein, dass ein technologisches Limit erreicht zu sein scheint. Daher ist die Suche nach neuartigen Halbleitermaterialien essentiell für die weitere Entwicklung elektronischer Systeme.

Galliumoxid (Ga₂O₃) ist ein sehr vielseitiges neues Material, das ein breites Spektrum neuartiger Anwendungen eröffnet. So ist besitzt es wegen seiner extrem hohen Durchbruchspannung Potential zur Herstellung von Hochleistungsbaulementen. Hierfür sind epitaktische Filme möglichst guter Kristallqualität erforderlich. Andererseits konnten wir in Prototypen zeigen, dass Defekte in dem Material eine Anwendung in sogenannten non-volatile memoriesermöglichen, die perspektiven die bislang erforderliche Trennung von Computerprozessoren und RAM (randon access memory) aufheben könnten und so erheblich schnellere und energieeffektive Computercores möglich erscheinen lassen.

Seit der bahnbrechenden Entdeckung vonGraphen mit bis dahin unerreichbaren elektronsichen Eingeschaften stehen 2-dimensionale Materialien im Fokus der Forschung zu neuartigen Halbleitermaterialien. Wegen ihrer einstellbaren Bandlücke spielen sogenannte Dichalcogenide dabei eine wichtige Rolle. Für eine Anwendung 2-dimensionaler Materialien in Elektronischen Bauelementen ist es wichtig Verfahren zu entwickeln, die effektive Produktionsprozesse ermöglichen. Wir untersuchen in diesem Projekt, wie 2-dimensionale Filme mittels sogenannter Interkalation elektronisch von ihrer Unterlage entkoppelt werden können. Darunter versteht man eine gezielte Veränderung der Grenzfläche der 2-dimensionalen Schicht und der Unterlage, auf der diese mittels Epitaxieverfahren abgeschieden wurde.

Vanadiumdioxid (VO₂) weist einen Metall-Isolator-Übergang in einem für Anwendungen sehr interessanten Termperaturbereich auf. Für VO₂-Kristalle liegt dieser Übergang vom metallischen in einen nicht-metallischen Zustand bei einer Temperatur von T_MI = 67°C. Für dünne Schichten lässt sich die Übergangstemperatur durch Einbringen von Verspannungen ins Material jedoch erheblich verschieben, wodurch Anwendungen als Funktionsmaterial möglich werden, beispielsweise als für selbstverspiegelnde Fensterscheiben bei starker Sonneneinstrahlung, aber auch für die Elektronik. Wir untersuchen die Möglichkeiten die Übergangstemperatur durch Verwendung von Verspannungsschichten und die Wahl passender Substrate (kristalline Unterlagen) gezielt zu verändern.

Methoden

Für die Untersuchungen setzen wir in unseren Laboren die niederenergetische Elektronenmikroskopie (LEEM), Rastertunnelmikroskopie (STM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Elektronenbeugung (LEED) ein. Ergänzt werden diese Experimente durch eine Reihe von ein- bis zweiwöchigen Messzeiten an Synchrotronstrahlungsquellen (in Triest, Barcelona, Hamburg, Lund u.a.), in denen wir mittels spezialisierter Messmethoden, wie Photoelektronenmikroskopie (PEEM), winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) und Röntgenbeugung ergänzende Informationen gewinnen um physikalische Fragestellungen rund um die Beziehung zwischen Struktur und Funktion von Materialien zu beantworten.