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„Elektronen-Warteraum“ hält Lichtenergie in blauem Titandioxid länger fest
Winzige Fehlstellen, längere Wirkung: In blauem Titandioxid sorgen fehlende Sauerstoffatome dafür, dass sich durch Licht getrennte elektrische Ladungen langsamer wieder vereinigen. Ein Forschungsteam hat die Veränderungen im Material mit ultrakurzen Röntgenpulsen verfolgt. In den Messungen verlief die Rekombination etwa 2,5-mal langsamer als bei gewöhnlichem Titandioxid. Das könnte künftig bessere Fotokatalysatoren ermöglichen.
Daejeon (Südkorea). Sonnenlicht kann nicht nur Strom erzeugen, sondern auch chemische Reaktionen antreiben. Ein Beispiel ist Titandioxid, das unter Lichteinwirkung Elektronen anregt und dadurch als Fotokatalysator zur Umwandlung von Sonnenenergie dienen kann. Auf diesem Prinzip beruhen unter anderem Forschungsansätze zur Herstellung von Wasserstoff mit Licht.
Das Problem: Die elektrisch geladenen Teilchen bleiben oft nur sehr kurz für chemische Reaktionen verfügbar. Kehrt ein angeregtes Elektron an seinen ursprünglichen Platz zurück und füllt damit eine positiv geladene Lücke, ein sogenanntes Loch, vereinigen sich die Ladungen wieder. Bei dieser Rekombination geht die Gelegenheit verloren, ihre Energie für eine chemische Reaktion zu nutzen.
Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) um Prof. Tae Kyu Kim haben nun untersucht, wie Sauerstoffleerstellen diesen Verlust verzögern. In blauem Titandioxid fehlen einzelne Sauerstoffatome im Kristallgitter. Solche Fehlstellen beeinflussen die Elektronenstruktur und tragen zur charakteristischen bläulichen Farbe des Materials bei.
Das Team hat blaues Titandioxid mit gewöhnlichem Titandioxid verglichen und beide Materialien durch Licht angeregt. Mit einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser beobachteten die Forscher dann extrem schnelle Veränderungen in der Umgebung der Titanatome. Optische Messungen verfolgten die Ladungen über längere Zeiträume, während Berechnungen die elektronischen Vorgänge im Kristall erklärten.
Direkt nach der Lichtanregung verlieren die Elektronen in beiden Materialien zunächst einen Teil ihrer Energie und gelangen in vergleichsweise flache Fangzustände. Die Analysen zeigen dafür Zeitskalen von rund 110 Femtosekunden und 1,3 Pikosekunden. Eine Femtosekunde entspricht einer Billiardstel Sekunde, eine Pikosekunde einer Billionstel Sekunde.
Erst danach tritt der entscheidende Unterschied auf: Im blauen Titandioxid wechseln Elektronen innerhalb von etwa 1,5 Nanosekunden in deutlich stabilere, tiefe Fangzustände. Im gewöhnlichen Vergleichsmaterial wurde dieser spätere Übergang nicht beobachtet. Die Sauerstoffleerstellen schaffen damit eine Art energetischen Wartebereich für die Elektronen.
Mit einer räumlich tiefen Grube hat diese Falle nichts zu tun. Gemeint ist ein elektronischer Energiezustand, aus dem ein Elektron nur schwer wieder entkommt. Die Berechnungen weisen zudem auf eine veränderte Verteilung elektronischer Zustände im Kristall hin, während die Messungen auch Umordnungen in der atomaren Umgebung erkennen lassen.
Die Folge ist messbar: Elektronen und die positiv geladenen Löcher vereinigen sich im blauen Titandioxid ungefähr 2,5-mal langsamer als im gewöhnlichen Material. Damit bleiben die Ladungsträger länger voneinander getrennt, was ihre mögliche Beteiligung an lichtgetriebenen Reaktionen begünstigen könnte.
„Diese Studie zeigt, dass durch fehlende Sauerstoffatome entstandene Leerstellen in einem Material nicht einfach nur Defekte sind, sondern eine wichtige Rolle dabei spielen, Elektronen länger festzuhalten“, erklärt Tae Kyu Kim.