Einem internationalen Forscherteam der Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU), der Leibniz Universität Hannover (LUH) und des Ioffe Instituts in Russland ist es gelungen Nanokompositmaterialien zu veredeln, wodurch sich neue Einsatzmöglichkeiten in der Wasserstoffwirtschaft und weiteren Industriezweigen eröffnen. Die Ergebnisse des Projekts werden im Aufsatz "The mechanism of charge carrier generation at the TiO2-n-Si heterojunction activated by gold nanoparticles" (Mechanismus der Ladungsträgererzeugung am TiO2-n-Si Heteroübergang durch Goldnanopartikel) vorgestellt, welcher in der Wissenschaftszeitschrift Semiconductor Science and Technology publiziert wurde.
Die Studie untersucht Verbundmaterialien - Halbleiter auf Titandioxid-Basis - deren Anwendungsmöglichkeiten von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt erforscht werden. Die Prozesse, welche innerhalb dieses Materials stattfinden, sind sehr komplex. Um den Halbleiter effektiver zu nutzen muss sichergestellt werden, dass die Energie zwischen den Materialschichten freigesetzt und übertragen werden kann.
Im Rahmen der an der SPbPU, der LUH und am Ioffe Institut durchgeführten Versuche haben die Forscher ein qualitatives Modell entwickelt, um den komplexen Prozess zu verdeutlichen.
Die Forscher verwendeten ein Verbundmaterial aus Siliziumscheiben (konventionelle Siliziumscheiben, wie sie in elektronischen Geräten verwendet werden), Goldnanopartikeln und einer feinen Schicht Titandioxid. Um die Energie innerhalb des Materials zu übertragen, isolierten die Wissenschaftler Nanopartikel aus dem Silizium. Ohne die Isolation könnte die Energie nicht vom der Silizium übertragen werden - weder auf das Silizium noch auf das Titandioxid. Das würde zu einem Energieverlust führen.
"Wir haben Siliziumscheiben mit säulenartigen Strukturen auf der Oberfläche erzeugt, die als Substrat für das Musterteil verwendet wurden. Auf der Oberfläche dieser Säulen befanden sich Goldnanopartikel, die gesamte Struktur war mit Titandioxid ummantelt. Dadurch waren die Nanopartikel lediglich dem Titandioxid ausgesetzt und gleichzeitig vom Silizium isoliert. Wir versuchten die Prozesse zu beschreiben, die in dem Material stattfinden, wenn die Begrenzungen zwischen den Schichten reduziert werden. Wir nahmen an, dass diese Struktur die Effizienz der Lichtenergie erhöht, die wir verwendeten um das Material auszuleuchten", sagt Dr. Maxim Mishin, Professor für Physik, Chemie und Technologie am Microsystems Equipment Institut der SPbPU.
Eine internationale Forschungsgruppe in St. Petersburg entwarf ein Modell der neuen Struktur. Anschließend wurde der Hauptteil der Struktur in Hannover realisiert: eine Siliziumscheibe mit Säulen und Goldnanopartikeln auf der Oberfläche.
Der Versuch wurde wie folgt durchgeführt. Zunächst wurde die Scheibe isoliert, indem sie mit einer Oxid-Schicht bedeckt wurde und Goldnanopartikel auf der Oberfläche aufgebracht wurden.
"Danach standen wir vor der Herausforderung Säulen zu erzeugen und das Substrat zu ätzen, damit es unter den Partikeln verblieb und nicht dazwischen. In Anbetracht dessen, dass wir von Größenordnungen im Nanobereich sprechen, war dies kein einfaches Vorhaben: der Durchmesser von Goldnanopartikeln beträgt etwa 10 Nanometer, die Säulenhöhe 80 Nanometer. Durch den Fortschritt in der Nanoelektronik konnten wir sogenannte "Trockenätzmethoden" wie das reaktive Ionenätzen anwenden", fügt Dr. Marc Christopher Wurz vom Institut für Mikroproduktionstechnik an der Leibniz Universität Hannover hinzu.
Die Entwicklung der Technologie war ein langwieriger Prozess. Zu Beginn der Versuche wurden die Goldnanopartikel durch das Ionenätzen noch vollständig von der oxidierten Scheibe entfernt. Die Wissenschaftler benötigten eine Woche, um die richtigen Parameter für das Plasmaätzen zu ermitteln und die Goldnanopartikel auf der Oberfläche zu erhalten. Der gesamte Versuch wurde über einen Zeitraum von 10 Tagen durchgeführt.
Das Forschungsprojekt wird nun fortgesetzt. Den Wissenschaftlern zufolge kann das Nanokompositmaterial für optische Vorrichtungen im sichtbaren Lichtspektrum eingesetzt werden. Außerdem kann es als Katalysator zur Produktion von Wasserstoff aus Wasser oder aber zur Wasseraufbereitung durch die Spaltung komplexer Moleküle dienen. Zusätzlich könnte das Material als Element eines Sensors verbaut werden, der Gaslecks oder eine erhöhte Konzentration schädlicher Substanzen in der Luft erkennt.
Das Projekt wurde durch das DAAD-Programm "Strategische Partnerschaft der Great St. Petersburg Polytechnic University und der Leibniz Universität Hannover" gefördert.
