Elektronische Inhomogenität in MoS₂-Schichten lässt sich glätten
Die Illustration zeigt MoS2-Gitter (grün: Mo, gelb: S). Der untere Block stellt das Material mit einer frisch abgespaltenen Oberfläche dar. Diese Oberfläche ist unregelmäßig, was sich auch in den Messergebnissen zur elektrischen Struktur der Oberfläche zeigt (eingeblendete farbige Karte). Der obere Block zeigt diese Oberfläche nach Behandlung mit atomarem Wasserstoff (weiße Kugeln). Dadurch wird die Oberfläche gleichmäßiger. © Martin Künsting/HZB
Molybdändisulfid (MoS₂) kann z. B. als Gassensor oder als Photokatalysator bei der grünen Wasserstoffproduktion eingesetzt werden. Obwohl man in der Regel mit der Untersuchung der kristallinen Grundform beginnt, um ein Material zu verstehen, gibt es für MoS₂ viel mehr Studien zu ein- und mehrlagigen Molekularschichten als zum massiven Material. Die wenigen Studien, die bisher durchgeführt wurden, zeigen unterschiedliche und nicht reproduzierbare Ergebnisse für die elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen MoS₂-Oberflächen. Diese Frage hat nun ein Team an BESSY II systematisch untersucht.
Dr. Erika Giangrisostomi und ihr Team am HZB haben die systematische Studie an der LowDosePES-Endstation an BESSY II durchgeführt. Sie nutzten Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, um die Elektronenenergien über große Oberflächenbereiche von MoS2-Proben zu kartieren. So konnten sie die Veränderungen der elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen Oberflächen im Ultrahochvakuum nach dem Tempern und der Einwirkung von atomarem und molekularem Wasserstoff vor Ort verfolgen.
Zwei wesentliche Erkenntnisse hat das Team gewonnen. Erstens zeigt die Studie erhebliche Schwankungen bei den Elektronenenergien für die frisch gespaltenen Oberflächen und demonstriert damit, wie leicht es zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen kann. Zweitens zeigt die Studie, dass die Behandlung mit atomarem Wasserstoff bei Raumtemperatur die elektronische Inhomogenität und Instabilität der Oberfläche wirksam neutralisiert. Ein Grund dafür liegt darin, dass Wasserstoffatome ein Elektron entweder annehmen oder abgeben können. „Unsere Hypothese ist, dass atomarer Wasserstoff bei der Neu-Ordnung von Schwefel-Fehlstellen oder Schwefel-Überschuss hilft und so zu einer gleichmäßigeren Verteilung beiträgt“, sagt Erika Giangrisostomi.
Diese Studie ist ein wichtiger Schritt bei der Erforschung von MoS2. Denn MoS2 wird bereits vielfältig eingesetzt, so dass diese Einblicke für Fachleute in der Elektronik, Photonik, Sensorik und Katalyse interessant sind.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.