Grenzflächen besser verstehen

18. Dezember 2014

Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam hat eine neue Methode entwickelt, mit der chemische Prozesse an Grenzflächen genauer als bislang analysiert werden können. Standing Wave Ambient Pressure Photoelectron Spectroscopy (SWAPPS) soll es ermöglichen, die Prozesse besser zu verstehen und künftig gezielter zu nutzen – etwa für effektivere Batterien, Brennstoffzellen und Photovoltaik-Zellen.

Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam hat eine neue Methode entwickelt, mit der chemische Prozesse an Grenzflächen genauer als bislang analysiert werden können. Standing Wave Ambient Pressure Photoelectron Spectroscopy (SWAPPS) soll es ermöglichen, die Prozesse besser zu verstehen und künftig gezielter zu nutzen – etwa für effektivere Batterien, Brennstoffzellen und Photovoltaik-Zellen. An der Entwicklung beteiligt waren auch Forscher des Peter Grünberg Instituts (PGI-6). Die Methode stellen die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ vor (DOI: 10.1038/ncomms6441).

Chemische Prozesse an Grenzflächen spielen eine wichtige Rolle bei der Korrosion von Stoffen. Sie werden aber auch zur Energiespeicherung und -wandlung genutzt, etwa in Brennstoffzellen und Batterien. Bei diesen Prozessen handelt es sich um Effekte, die in den sehr dünnen Schichten zwischen Stoffen in unterschiedlichen Zuständen auftreten, beispielsweise zwischen flüssigen und gasförmigen oder zwischen festen und flüssigen Substanzen. Allerdings sind die Prozesse sehr komplex und noch nicht in allen Details entschlüsselt. Um sie besser zu verstehen, analysieren Forscher die Strukturen von Grenzflächen. SWAPPS erlaubt es, jedes chemische Element in solchen Grenzflächen zu untersuchen – und zwar bis in den Subnanometer-Bereich, also in dem Bereich, der kleiner als ein Milliardstel Meter ist. Dafür kombiniert SWAPPS zwei gängige Methoden der Röntgenspektrometrie, die bislang unabhängig voneinander verwendet wurden: die Umgebungsdruck-Röntgen-Photoelektronenspektrometrie (ambient pressure x-ray photoelectron spectroscopy – APXPS) und die sogenannten stehenden Wellen (standing wave – SW). Der Vorteil gegenüber anderen Methoden: SWAPPS benötigt kein Ultrahochvakuum und liefert auch aussagekräftige Ergebnisse bei Prozessen, die unter hohem Druck und hohen Temperaturen ablaufen. Das haben Versuche der Forschergruppe mit einem Flüssigkeitsfilm aus Natrium- und Caesiumhydroxid auf einem Eisenoxid-Festkörper bestätigt.

Am Forschungszentrum Jülich wurden die abschließenden Untersuchungen des Projekts durchgeführt. Das PGI-6 will die Methode gemeinsam mit den amerikanischen Partnern von der University of California Davis, dem Lawrence Berkeley National Laboratory und dem IBM Almaden Research Center weiterentwickeln und bei künftigen Projekten einsetzen.

Originalpublikation

Slavomir Nemsak, Andrey Shavorskiy, Osman Karslioglu, Ioannis Zegkinoglou, Arunothai Rattanachata, Catherine S. Conlon, Armela Keqi, Peter K. Greene, Edward C. Burks, Farhad Salmassi, Eric M. Gullikson, See-Hun Yang, Kai Liu, Hendrik Bluhm und Charles S. Fadley.

Concentration and chemical-state profiles at heterogeneous interfaces with sub-nm accuracy from standing-wave ambient-pressure photoemission.

Nature Communications 5, Article number: 5441, veröffentlicht am 17 November 2014. DOI: 10.1038/ncomms6441

Peter Grünberg Institut, Bereich Elektronische Eigenschaften (PGI-6)

Pressemitteilung des Lawrence Berkeley National Laboratory vom 2. Dezember 2014 (in englischer Sprache): A Better Look at the Chemistry of Interfaces