Forscher beobachten erstmals Dynamik von Elektronen in Molekülen

18. Februar 2021 - 20:05

Wer neue Bauelemente in der Mikro- und Opto-Elektronik, chemische Sensorik oder organische Solarzellen entwickeln möchte, muss die physikalisch-chemischen Phänomene zwischen den Materialienschichten, die Grenzflächeneffekte, verstehen und steuern können. Dazu müsste man aber den Weg der Elektronen in Raum und Zeit nachvollziehen können. Ein deutsch-österreichisches Forscherteam ist dem Ziel einen Schritt nähergekommen und hat seine Ergebnisse im "Science"-Magazin publiziert.

Zum Einsatz kam ein spezieller Laser mit ultrakurzen Pulsen im Femtosekundenbereich
Zum Einsatz kam ein spezieller Laser mit ultrakurzen Pulsen im Femtosekundenbereich

Die elektrischen und chemischen Effekte zwischen den Kontaktflächen zweier Materialien bestimmen die Eigenschaften moderner Bauelemente. "Grenzflächen scheinen zunächst nichts weiter als das Nebeneinander zweier Schichten - doch sie sind der Ort, an dem sich die Funktionen der Materialien überhaupt erst manifestieren", erklärte Ulrich Höfer von der deutschen Philipps-Universität Marburg anlässlich der Veröffentlichung.

Den Effekten innerhalb der Verbundmaterialien kommt eine wichtige technologische Bedeutung zu: So findet bei modernen Solarzellen der entscheidende Schritt der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie an inneren Grenzflächen statt und auch in den organischen Leuchtdioden, den OLED-Displays wie sie etwa in Smartphones verwendet werden, spielen Grenzflächen eine wichtige Rolle, sagte der Physiker Peter Puschnig von der Universität Graz im Gespräch mit der APA.

Noch Forschungsbedarf bei inneren Grenzflächen

Der Bedeutung der inneren Grenzflächen hinkt jedoch das Verständnis ihrer Struktur und Dynamik noch hinterher. Nicht zuletzt weil sie sich mit bisherigen physikalischen Methoden schlecht beobachten lassen. Der deutsche Forschungsverbund "Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen" in Marburg und Jülich sucht seit Jahren Lösungen für das Problem. Die Forscher haben auch Puschnig hinzugezogen.

Während die Theorie der Grenzorbitale Aufschluss über die Rolle der Elektronenverteilung in Molekülen bei chemischen Reaktionen gibt, kann die Femtosekundenspektroskopie die Beobachtung von Übergangszuständen in den Reaktionen möglich machen. "Es ist schon seit langem ein Traum der Chemie, diese beiden Entwicklungen miteinander zu verknüpfen, und so die Elektronen in einer chemischen Reaktion in Raum und Zeit genau zu verfolgen", erklärte Professor Stefan Tautz, Leiter des Instituts für Quantum Nanoscience am Forschungszentrum Jülich.

Molekülschicht wird mit Photonen beschossen

Die Forschergruppe hat die negativ geladenen Teilchen beim Transfer durch eine Grenzfläche zwischen einer organischen Molekülschicht und einem Metall untersucht. Dabei kombinierten sie Methoden auf dem neuesten Stand der Laser- und Elektronenspektroskopie und konnten so tatsächlich die Elektronen-Dynamik räumlich und zeitlich beobachten. Der experimentelle Ansatz basiert auf der Photoemissions-Orbital-Tomographie. "Dabei wird eine Molekülschicht auf einer Metalloberfläche mit Photonen, also Lichtteilchen, beschossen, woraufhin sich die energetisch angeregten Elektronen herauslösen", erklärte Puschnig das Prinzip. "Diese fliegen danach aber nicht zufällig in den Raum hinaus, sondern lassen, und das ist der entscheidende Punkt, aufgrund ihrer Winkel- und Energieverteilung Rückschlüsse auf die räumliche Verteilung der Elektronen in den Molekülorbitalen zu." Puschnig hat die theoretische Auswertung der Experimente übernommen.

Die Orbital-Tomogramme wurden mit ultrahoher Auflösung durch die Zeit verfolgt, ergänzte Robert Wallauer von der Universität Marburg. Die Wissenschafter verwendeten einen speziellen Laser mit ultrakurzen Pulsen im Femtosekundenbereich, mit dem sie die Elektronen in den Molekülen anregten. Eine Femtosekunde ist übrigens der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde. Im Verhältnis zu einer Sekunde ist dies genauso wenig wie eine Sekunde im Verhältnis zu 32 Millionen Jahren.

Neuartiges Impulsmikroskop im Einsatz

Mit einem neuartigen Impulsmikroskop konnten sie schließlich zugleich Richtung und Energie der herausgelösten Elektronen mit hoher Empfindlichkeit messen. Die ultrakurzen Pulse eignen sich zur optischen Zerlegung von schnellen Vorgängen in einzelne Bilder und machten den Elektronentransfer wie in Zeitlupe nachvollziehbar. "Dies ermöglichte es uns, Elektronenanregungspfade quasi in Echtzeit räumlich zu verfolgen", so Tautz.

"Wir glauben, dass unsere Ergebnisse einen entscheidenden Durchbruch auf dem Weg zum Ziel darstellen, Elektronen auch bei chemischen Reaktionen an Oberflächen in Raum und Zeit zu verfolgen", so Puschnig, der zugleich hofft, weitere Experimente in Zukunft auch in Graz durchzuführen. "Die Erkenntnisse eröffnen unzählige Möglichkeiten für die Optimierung von Grenzflächen und Nanostrukturen in Prozessoren, Sensoren, Displays, organischen Solarzellen, Katalysatoren und möglicherweise sogar für Anwendungen und Technologien, die bisher noch gar nicht angedacht sind", meinte Höfer.

Service: R. Wallauer et al.. "Tracing orbital images on ultrafast time scales", Science 10.1126/science.abf3286 (2021)

(APA/red, Foto: APA/Philipps-Universität Marburg/Till Schürmann)

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