Forschung

Materialien für die Katalyse

In der heterogenen Katalyse, also der Umwandlung von gasf?rmigen Stoffen auf festen Oberfl?chen werden metallische Nanopartikel auf oxidischen Tr?germaterialien 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 abl?uft. Proben, die Oxide auf Metalloberfl?chen aufweisen bieten die M?glichkeit diese Wechselwirkungen gezielt zu untersuchen, das System für das Experiment invertiert, die Oberfl?che wird zu einem inversen Modell-Katalysator. Dieser Ansatz bietet zudem den Vorteil, dass er die Nutzung weit entwickelter Methoden der Oberfl?chenphysik erlaubt, die auf der Verwendung von Elektronen basieren. Hierzu z?hlen die Photoemissionsspektroskopie, die Elektronenbeugung und die Elektronenmikroskopie. Gegenw?rtig 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 dreiz?hlig (Ce2O3) und/oder vierz?hlig (CeO2) auftreten und die Oxide k?nnen 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 Abh?ngigkeit dieser funktionellen Eigenschaft von den auftretenden Strukturen um neue Ans?tze 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 Metalloberfl?chen, um die Eigenschaften der beschriebenen Metall-Nanopartikel zu verstehen und zu verbessern. Ein aktuelles Beispiel ist die Untersuchung der Oxidation von Pt-Sn Oberfl?chenlegierungen auf Kristalloberfl?chen. Um die Nanopartikel in ihren chemischen Eigenschaften hinsichtlich der auf ihnen ablaufenden Reaktionen zu optimieren werden diesen h?ufig gezielt andere Metalle beigefügt, die an der Oberfl?che des Nanokristalls zur Ausbildung einer Oberfl?chenlegierung führen. Da die nano-Kristalle wegen ihrer geringen Gr??e und Dichte experimentell nur sehr schwer zug?nglich sind, ist auch hier ein Modellsystem n?tig. Wir verwenden hierfür die Oberfl?chen von Legierungskristallen und metallische Oberfl?chenlegierungen. In diesem Beispiel verbessert die Beimischung von Zinn die Stabilit?t von Platin-basierten Katalysatoren gegen Ablagerungen aus Kohlenstoff und verbessert die chemischen Eigenschaften des Katalysators. Konkret untersuchen wir die Oxidation von Pt-Sn Oberfl?chenlegierungen, 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 er?ffnet. So ist besitzt es wegen seiner extrem hohen Durchbruchspannung Potential zur Herstellung von Hochleistungsbaulementen. Hierfür sind epitaktische Filme m?glichst guter Kristallqualit?t erforderlich. Andererseits konnten wir in Prototypen zeigen, dass Defekte in dem Material eine Anwendung in sogenannten non-volatile memorieserm?glichen, die perspektiven die bislang erforderliche Trennung von Computerprozessoren und RAM (randon access memory) aufheben k?nnten und so erheblich schnellere und energieeffektive Computercores m?glich 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 erm?glichen. Wir untersuchen in diesem Projekt, wie 2-dimensionale Filme mittels sogenannter Interkalation elektronisch von ihrer Unterlage entkoppelt werden k?nnen. Darunter versteht man eine gezielte Ver?nderung der Grenzfl?che der 2-dimensionalen Schicht und der Unterlage, auf der diese mittels Epitaxieverfahren abgeschieden wurde.

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

Methoden

Für die Untersuchungen setzen wir in unseren Laboren die niederenergetische Elektronenmikroskopie (LEEM), Rastertunnelmikroskopie (STM), R?ntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Elektronenbeugung (LEED) ein. Erg?nzt werden diese Experimente durch eine Reihe von ein- bis zweiw?chigen Messzeiten an Synchrotronstrahlungsquellen (in Triest, Barcelona, Hamburg, Lund u.a.), in denen wir mittels spezialisierter Messmethoden, wie Photoelektronenmikroskopie (PEEM), winkelaufgel?ster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) und R?ntgenbeugung erg?nzende Informationen gewinnen um physikalische Fragestellungen rund um die Beziehung zwischen Struktur und Funktion von Materialien zu beantworten.