Synthese komplexer zweidimensionaler Heterostrukturen mit maßgeschneiderten optoelektronischen Eigenschaften

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Tobias Kipp; Professor Dr. Alf Mews
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510528670

Komplexe Halbleiter/Halbleiter-Heteronanostrukturen oder Metall/Halbleiter-Hybridstrukturen sind für verschiedene Anwendungen in der Optoelektronik von großem Interesse. Halbleiterheterostrukturen können in der Photovoltaik eingesetzt werden, in dem photogenerierte Elektron-Loch-Paare über die Heterogrenzfläche getrennt werden. Umgekehrt können in die Heterostruktur injizierte Ladungsträger im Bereich der Grenzfläche rekombinieren und dabei Licht emittieren. Metall/Halbleiter-Hybridstrukturen eignen sich hervorragend für die Photokatalyse, z. B. indem die im Halbleitermaterial optisch erzeugten Elektronen auf angelagerte Metallpartikel übertragen werden und Protonen zu Wasserstoff reduzieren können. In diesem Vorhaben sollen chemische Synthesemethoden für verschiedene zweidimensionale Hetero- und Hybridnanostrukturen entwickelt werden. Durch kontrolliertes epitaktisches Aufwachsen eines Halbleitermaterials auf ein anderes sollen bspw. SnSe/SnS-Kern/Schale-Nanoplättchen synthetisiert werden, in denen über Anionenvariation der Valenzbandkantenverlauf gezielt eingestellt werden kann. Weiterhin sollen durch Kationenaustauschreaktionen ausgehend von CuS-Nanoplättchen Janus-artige CuS/CdS-Heteronanoplättchen synthetisiert werden, in denen über den Kationengradient die Energie des Leitungsbands und damit die Elektronenlokalisation kontrolliert wird. Schließlich soll das gezielte Wachstum von Metall-Nanokristallen auf den Kanten der Nanoplättchen zu Hybridstrukturen führen, bei denen die photogenerierten Elektronen in den randständigen Metallteilchen lokalisiert werden, was zu besonders effizienten Photokatalysatoren führen wird. Neben der chemischen Synthese der Nanoplättchen steht die Erforschung ihrer optoelektronischen Eigenschaften im Vordergrund dieses Vorhabens. Ein wichtiges Ziel besteht hier darin, die Lokalisierung der photogenerierten Ladungsträger in einzelnen Hybrid- und Heterostrukturen direkt zu verfolgen. Das zentrale Experiment dazu kombiniert ein konfokales Laserscanning-Mikroskop mit einem Rastkraftmikroskop, welches die ortsaufgelöste Messung elektrostatischer Kräfte unter lokaler Beleuchtung der Nanostruktur erlaubt. An unkontaktierten Heteronanoplättchen soll sowohl der Potenzialverlauf über die Heterogrenzflächen hinweg als auch die Umverteilung photogenerierter Ladungsträger mit hoher Ortsauflösung quantitativ bestimmt werden. Hier sollen auch zeitaufgelöste Messungen entwickelt werden, um die Auf- und Entladungsdynamik direkt zu verfolgen. An elektrisch kontaktierten Nanoplättchen sollen zusätzlich Rasterphotostrommessungen mit den elektrostatischen Rasterkraftmessungen kombiniert werden, um den Potenzialverlauf insbesondere an den Kontakten zu studieren. Diese Experimente sollen auch unter Verwendung fokussierter Röntgenstrahlung aus Synchrotronstrahlquellen durchgeführt werden, um die Ortsauflösung der Photostrommessungen deutlich zu erhöhen und mit vielfältigen Methoden der Röntgenspektroskopie zu kombinieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen