Dynamik von Elektronen in Oberflächen-modifizierten Photokathoden

• Antragsteller: Dr. Dennis Friedrich; Professor Dr. Thomas Hannappel; Professor Dr. Wolf Gero Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424936963

Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die grundlegenden Prozesse zu verstehen, welche die Elektronendynamik und Energetik prototypischer Photoelektroden-Oberflächen, der zugehörigen internen, oberflächennahen Grenzflächen und ähnlicher Modellsysteme im Hinblick auf die photoelektrochemische Wasserstofferzeugung bestimmen. Die genauen Mechanismen der Elektronentransferprozesse an Grenzflächen und ihre Dynamik sind noch nicht ausreichend verstanden. Wir schlagen vor, die elektronischen und chemischen Eigenschaften der Oberflächen von III-V-Verbindungshalbleiter-basierten Absorbersystemen gezielt zu modifizieren, um so Mehrelektronenprozesse zu fördern. Die zeitaufgelöste Zwei-Photonen-Photoemission (tr-2PPE) erlaubt eine explizit Oberflächen-sensitive Analyse und wird hier mit Dichtefunktionaltheorie (DFT)-basierten numerischen Simulationen kombiniert, um ein grundlegendes Verständnis der wichtigsten Elektronentransfer- und Rekombinationsprozesse zu erhalten. Tr-2PPE ist eine einzigartige Methode, die direkt die kinetische Energie und Dynamik von photoemittierten Elektronen untersucht, und somit gleichzeitig die elektronische Struktur und zeitliche Besetzung oberflächennaher Zustände adressiert. III-V-Verbindungshalbleiter dienen hier als relevante Modellsysteme zur Untersuchung der Grenzflächendynamik in Bezug auf ausgewählte Oberflächenmodifizierungen. Möglichkeiten zur Modifizierung von III-V-Oberflächen umfassen das epitaktische Aufwachsen dünner Filme, die in-situ-Oberflächentransformation und die Katalysatorabscheidung. Diese Verfahren können quasi-zweidimensionale Filme erzeugen, um die Korrosion zu verlangsamen und die photokatalytische Aktivität zu verbessern. Solche Oberflächenschichten ermöglichen die Anpassung der Elektronentransferdynamik durch gezielte Modifikationen der elektronischen Struktur. Durch Untersuchung verschiedener Oberflächenmodifizierungen erlangen wir ein allgemeines Verständnis davon, wie mittels Grenzflächendesign der Elektronentransport in Richtung der katalytisch aktiven Oberfläche gefördert wird. Die wissenschaftlichen Fragestellungen lauten, (i) ob die Abkühlung heißer Elektronen an modifizierten Oberflächen bei relevanten Anregungsdichten wesentlich langsamer als im Volumenmaterial sein kann, (ii) ob Grenzflächenzustände spezifisch in der Nähe des Leitungsbandes erzeugt werden können, (iii) wie die Elektronendichte erhöht, und nicht-strahlende Rekombination unterdrückt werden kann. In der langfristigen Perspektive des Konsortiums werden Antworten auf diese Fragen das Design der Funktionalisierungsschichten der dann zu entwickelnden neuartigen Mehrfachabsorbersysteme unterstützen, um optimale Ladungstrennung und -transfer für katalytische Mehrelektronen-Prozesse zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Roel van de Krol