Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie der Isolator zum Leiter wird

02.01.2006


Anstöße für die Entwicklung neuer Solarzellen


Bei Zimmertemperatur führt die chemische Bindung von Wasserstoffatomen an Zinkoxid-Oberflächen zur Ausbildung elektronischer Bänder, die die Oberfläche dieses Isolators elektrisch leitfähig machen.


RUB-Chemiker untersuchen Metallisierung von Oxiden
Physical Review Letters berichtet über "teilgefüllte Bänder"



Wie sich die Oberfläche von Zinkoxid auf einfache Art leitfähig machen lässt, entdeckten Bochumer Chemiker per Zufall: Bei Experimenten an Zinkoxid-Oberflächen stellten die Forscher um Prof. Dr. Christof Wöll (Physikalische Chemie I) fest, dass Wasserstoff-Atome bei Raumtemperatur ausschließlich mit den Sauerstoff-Atomen an der Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome frei bleiben. Den Zink-Atomen fehlt somit ein "Nachbar", mit dem sie eine weitere Bindung eingehen können - es bleiben ungepaarte Elektronen übrig, die elektrischen Strom leiten. Aus dem Isolator Zinkoxid wird ein guter elektrischer Leiter. Dieser Fund gibt Anstöße z.B. für die Herstellung von Solarzellen und Wasserstoffsensoren. Über ihre Funde berichten die RUB-Forscher in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters.

Durchsichtig und leitfähig soll es sein

Für viele Anwendungen, z.B. in Solarzellen, werden durchsichtige, leitfähige Materialien gebraucht. Metalle, die klassischen Leiter, sind aber undurchsichtig und kommen daher nicht in Frage. Deswegen interessiert man sich seit langem für die entsprechenden Metall-Oxide. Allerdings sind Oxide normalerweise gute Isolatoren. So sind oxidierte Kontakte im Zündverteiler der Alptraum eines jeden Autofahrers. Es gibt jedoch Ausnahmen: Das durchsichtige Indium-Zinn-Oxid (ITO) ist leitfähig und wird bereits vielfältig eingesetzt. Als leitende Schicht in Solarzellen muss es allerdings in einem extra Arbeitsschritt auf Oberflächen - etwa auf die des häufig eingesetzten Zinkoxids - aufgedampft werden.

Zufallsfund im SFB

Die Forscher am Lehrstuhl für Physikalische Chemie I der Ruhr-Universität fanden nun heraus, dass die Leitfähigkeit an der Oberfläche von Zinkoxid-Oberflächen auch einfacher zu haben ist: Geringe Mengen Wasserstoff reichen aus, um die Oberfläche metallisch zu machen. "Eigentlich handelt es sich dabei um einen ’Zufallsfund’", erklärt Prof. Wöll, "das Hauptinteresse der Untersuchungen gilt den chemischen Eigenschaften von Zinkoxidoberflächen, insbesondere in Zusammenhang mit der Synthese von Methanol im Sonderforschungsbereich 558." Die Wissenschaftler entdeckten bei Experimenten mit atomarem Wasserstoff in einer Ultrahochvakuum-Kammer, dass bei Zimmertemperatur die Wasserstoff-Atome nur mit den Sauerstoff-Atomen an der Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome an der Oberfläche frei bleiben. Die H-Atome in den sich an der Oberfläche bildenden OH-Gruppen haben also keine Partner an den benachbarten Metallatomen.

Teilgefüllte Bänder leiten den Strom

Wie theoretische Berechnungen von Dr. Bernd Meyer (Theoretische Chemie) zeigen, führt das zur Bildung von "ungepaarten" Elektronen. Festkörperphysikers sprechen von so genannten teilgefüllten Bändern. "Wichtiges Resultat ist, dass die Elektronen dann frei beweglich sind; aus dem Isolator Zinkoxid wird ein elektrischer Leiter", so Prof. Wöll. Da Zinkoxid für die Herstellung von Solarzellen von erheblichem Interesse ist, erwarten die Forscher von diesem Ergebnis Anstöße für die Entwicklung neuer Solarzellen. Außerdem erlauben die Daten erstmals tiefere Einsichten in die Funktionsweise von Wasserstoffsensoren, die ebenfalls auf dem Material Zinkoxid basieren.

Titelaufnahme

Y. Wang, B. Meyer, X. Yin, M. Kunat, D. Langenberg, F. Traeger, A. Birkner and Ch. Wöll: Hydrogen Induced Metallicity on the ZnO(10-10) Surface. In: Physical Review Letters 95, 266104 (2005)

Weitere Informationen

Prof. Dr. Christof Wöll, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, NC 5/ 74, Tel. 0234/32-25529, Fax: 0234/32-14182, E-Mail: woell@pc.ruhr-uni-bochum.de

Dr. Josef König | idw

Weitere Berichte zu: Elektron Isolator Physikalisch Solarzelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Fehlersuche in der Quantenwelt
19.09.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma
18.09.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Der Truck der Zukunft

Lastkraftwagen (Lkw) sind für den Gütertransport auch in den kommenden Jahrzehnten unverzichtbar. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Technischen Universität München (TUM) und ihre Partner haben ein Konzept für den Truck der Zukunft erarbeitet. Dazu zählen die europaweite Zulassung für Lang-Lkw, der Diesel-Hybrid-Antrieb und eine multifunktionale Fahrerkabine.

Laut der Prognose des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur wird der Lkw-Güterverkehr bis 2030 im Vergleich zu 2010 um 39 Prozent steigen....

Im Focus: Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma

Feuert man Lichtpulse aus einer extrem starken Laseranlage auf Materialproben, reißt das elektrische Feld des Lichts die Elektronen von den Atomkernen ab. Für Sekundenbruchteile entsteht ein Plasma. Dabei koppeln die Elektronen mit dem Laserlicht und erreichen beinahe Lichtgeschwindigkeit. Beim Herausfliegen aus der Materialprobe ziehen sie die Atomrümpfe (Ionen) hinter sich her. Um diesen komplexen Beschleunigungsprozess experimentell untersuchen zu können, haben Forscher aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine neuartige Diagnostik für innovative laserbasierte Teilchenbeschleuniger entwickelt. Ihre Ergebnisse erscheinen jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review X“.

„Unser Ziel ist ein ultrakompakter Beschleuniger für die Ionentherapie, also die Krebsbestrahlung mit geladenen Teilchen“, so der Physiker Dr. Thomas Kluge vom...

Im Focus: Bio-Kunststoffe nach Maß

Zusammenarbeit zwischen Chemikern aus Konstanz und Pennsylvania (USA) – gefördert im Programm „Internationale Spitzenforschung“ der Baden-Württemberg-Stiftung

Chemie kann manchmal eine Frage der richtigen Größe sein. Ein Beispiel hierfür sind Bio-Kunststoffe und die pflanzlichen Fettsäuren, aus denen sie hergestellt...

Im Focus: Patented nanostructure for solar cells: Rough optics, smooth surface

Thin-film solar cells made of crystalline silicon are inexpensive and achieve efficiencies of a good 14 percent. However, they could do even better if their shiny surfaces reflected less light. A team led by Prof. Christiane Becker from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) has now patented a sophisticated new solution to this problem.

"It is not enough simply to bring more light into the cell," says Christiane Becker. Such surface structures can even ultimately reduce the efficiency by...

Im Focus: Mit Nano-Lenkraketen Keime töten

Wo Antibiotika versagen, könnten künftig Nano-Lenkraketen helfen, multiresistente Erreger (MRE) zu bekämpfen: Dieser Idee gehen derzeit Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen (UDE) und der Medizinischen Hochschule Hannover nach. Zusammen mit einem führenden US-Experten tüfteln sie an millionstel Millimeter kleinen Lenkraketen, die antimikrobielles Silber zielsicher transportieren, um MRE vor Ort zur Strecke zu bringen.

In deutschen Krankenhäusern führen die MRE jährlich zu tausenden, teils lebensgefährlichen Komplikationen. Denn wer sich zum Beispiel nach einer Implantation...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Experten der Orthopädietechnik tagen in Göttingen

19.09.2018 | Veranstaltungen

Von den Grundlagen bis zur Anwendung - Internationale Elektrochemie-Tagung in Ulm

18.09.2018 | Veranstaltungen

Unbemannte Flugsysteme für die Klimaforschung

18.09.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Internationale Experten der Orthopädietechnik tagen in Göttingen

19.09.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Der Truck der Zukunft

19.09.2018 | Verkehr Logistik

Fehlersuche in der Quantenwelt

19.09.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics