Elektronische Inhomogenität in MoS₂-Schichten lässt sich glätten
Die Illustration zeigt MoS2-Gitter (grün: Mo, gelb: S). Der untere Block stellt das Material mit einer frisch abgespaltenen Oberfläche dar. Diese Oberfläche ist unregelmäßig, was sich auch in den Messergebnissen zur elektrischen Struktur der Oberfläche zeigt (eingeblendete farbige Karte). Der obere Block zeigt diese Oberfläche nach Behandlung mit atomarem Wasserstoff (weiße Kugeln). Dadurch wird die Oberfläche gleichmäßiger. © Martin Künsting/HZB
Molybdändisulfid (MoS₂) kann z. B. als Gassensor oder als Photokatalysator bei der grünen Wasserstoffproduktion eingesetzt werden. Obwohl man in der Regel mit der Untersuchung der kristallinen Grundform beginnt, um ein Material zu verstehen, gibt es für MoS₂ viel mehr Studien zu ein- und mehrlagigen Molekularschichten als zum massiven Material. Die wenigen Studien, die bisher durchgeführt wurden, zeigen unterschiedliche und nicht reproduzierbare Ergebnisse für die elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen MoS₂-Oberflächen. Diese Frage hat nun ein Team an BESSY II systematisch untersucht.
Dr. Erika Giangrisostomi und ihr Team am HZB haben die systematische Studie an der LowDosePES-Endstation an BESSY II durchgeführt. Sie nutzten Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, um die Elektronenenergien über große Oberflächenbereiche von MoS2-Proben zu kartieren. So konnten sie die Veränderungen der elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen Oberflächen im Ultrahochvakuum nach dem Tempern und der Einwirkung von atomarem und molekularem Wasserstoff vor Ort verfolgen.
Zwei wesentliche Erkenntnisse hat das Team gewonnen. Erstens zeigt die Studie erhebliche Schwankungen bei den Elektronenenergien für die frisch gespaltenen Oberflächen und demonstriert damit, wie leicht es zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen kann. Zweitens zeigt die Studie, dass die Behandlung mit atomarem Wasserstoff bei Raumtemperatur die elektronische Inhomogenität und Instabilität der Oberfläche wirksam neutralisiert. Ein Grund dafür liegt darin, dass Wasserstoffatome ein Elektron entweder annehmen oder abgeben können. „Unsere Hypothese ist, dass atomarer Wasserstoff bei der Neu-Ordnung von Schwefel-Fehlstellen oder Schwefel-Überschuss hilft und so zu einer gleichmäßigeren Verteilung beiträgt“, sagt Erika Giangrisostomi.
Diese Studie ist ein wichtiger Schritt bei der Erforschung von MoS2. Denn MoS2 wird bereits vielfältig eingesetzt, so dass diese Einblicke für Fachleute in der Elektronik, Photonik, Sensorik und Katalyse interessant sind.
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- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
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