Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Atome in Nanomaterialien vibrieren

10.03.2016

Forscherinnen und Forscher um ETH-Professorin Vanessa Wood sind mittels umfangreichen Analysen den Gittervibrationen von Nanokristallen auf die Spur gekommen. Die Erkenntnisse helfen, nanostrukturierte Materialien systematisch und gezielt weiterzuentwickeln.

Materialien bestehen aus Atomen, die bei Raumtemperatur vibrieren. Diese kollektiven Gitterschwingungen, auch Phononen genannt, sind für Eigenschaften wie Wärme- und Ladungstransport verantwortlich. Gitterschwingungen in Metallen, Halbleitern und Isolatoren sind heute gut erforscht.


Die starken Gitterschwingungen in der Hülle von Nanokristallen sind für eine schlechtere Umwandlungseffizienz von Licht in elektrische Energie verantwortlich.

Grafik: Deniz Bozyigit / ETH Zürich

Bisher war allerdings unklar, wie sie sich in neuen, nanostrukturierten Materialien verhalten, von denen man sich bessere Displays, Sensoren, Batterien und katalytische Membranen verspricht.

Gitter schwingt stark an weichen Oberflächen

In einem aktuellen Fachartikel in der Zeitschrift «Nature» zeigen ETH-Professorin Vanessa Wood und ihr Team, wie sich Gitterschwingungen in Nanopartikeln verhalten und wie dieses Wissen systematisch für die gezielte Entwicklung von nanostrukturierten Materialien verwendet werden kann.

Bei Materialien mit einer Grösse von weniger als 10 bis 20 Nanometern – etwa 5000 mal dünner als ein menschliches Haar – sind Schwingungen von Oberflächenatomen besonders ausgeprägt und haben einen wichtigen Einfluss auf die Materialeigenschaften.

«Während in Bereichen wie der Katalyse, der Thermoelektrik oder der Supraleitung solch starke Schwingungen hilfreich sein können, ist der beobachtete Effekt für andere Anwendungen wie LEDs und Solarzellen unerwünscht», erklärt Wood.

Tatsächlich erklärt die Publikation, weshalb Solarzellen aus Nanopartikeln ihr Potential bislang noch nicht vollständig ausschöpfen konnten. Durch den Vergleich von Experiment und Simulation zeigt die Forschungsgruppe, wie die Interaktion von Gitterschwingungen an der Oberfläche mit Elektronen den Fotostrom in den Solarzellen verringert.

«Da wir nun zeigen konnten, dass Gitterschwingungen an der Oberfläche ausserordentlich wichtig sind, können wir systematisch Materialien entwickeln, die diese unterdrücken oder verstärken», so Wood.

Bessere Solarzellen

Woods Forschungsgruppe arbeitet schon seit längerem mit besonderen Nanomaterialien, den kolloidalen Nanokristallen. Diese Kristalle, die auch als Quantenpunkte bekannt sind, besitzen Halbleitereigenschaften und können kontrolliert mit einem Durchmesser von zwei bis zehn Nanometern synthetisiert werden.

Diese Materialien sind aufgrund ihrer optischen und elektrischen Eigenschaften interessant, die beide stark von der Partikelgrösse abhängen. Sie werden bereits heute kommerziell als rote und grüne Leuchtmittel in LED-Fernsehern genutzt und als kostengünstige Alternative für aus Lösungsmitteln abgeschiedene Solarzellen gehandelt. Forscher haben herausgefunden, dass wenn man eine Schale aus bestimmten Atomen um die Oberfläche der Nanokristalle legt, dann kann man die Leistung der Solarzelle verbessern.

Bisher war unklar, wieso dies funktioniert. Der in «Nature» publizierte Fachartikel erklärt nun, wie dies geschieht: Eine harte Schale von Atomen unterdrückt die Gitterschwingungen und deren Wechselwirkung mit Elektronen. Dies führt zu höheren Fotoströmen und effizienteren Solarzellen.

Ihre Untersuchungen führten die ETH-Forschenden an der Schweizer Spallationsneutronenquelle am Paul Scherrer Institut (PSI) durch. Beim Beschuss der Kristalle mit Neutronen beobachteten die Wissenschaftler die Struktur und die Vibration der Atome in diesen winzigen Festkörpern. Die Gitterschwingungen der Nanokristalle wurden auch mithilfe von Supercomputern am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum (CSCS) in Lugano simuliert. «Ohne Zugang zu diesen Grossforschungsanlagen wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. In der Schweiz sind wir in der glücklichen Situation, solch einzigartige Einrichtungen zur Verfügung zu haben», betont die ETH-Professorin.

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/03/phonon-int...

Peter Rüegg | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp
18.10.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Lumineszierende Gläser als Basis neuer Leuchtstoffe zur Optimierung von LED
17.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

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

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

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