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