Clusterkatalyse
Abgeschlossene Projekte

Durch vorrangegangenen Arbeiten an unserem Ultrahochvakuumsystem konnten bereits einige Projekte erfolgreich bewältigt werden, welche sich in die folgenden Themenbereiche unterteilen lassen.

Kontinuierliche Molekularstrahlquellen lassen sich zur Deposition von diskreten Metallclustern einsetzen. Die von Krähling und Elger etablierte Magnetronsputterquelle ermöglichte es Clusteroberflächen herzustellen, die erstmals in der Arbeitsgruppe auf ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften untersucht werden konnten. Die stetige Weiterentwicklung derer Komponenten führte schließlich zu einer deutlichen Steigerung der Abscheidungsrate und der Oberflächenhomogenität. Durch die neue, hochintensive Molekularstrahlquelle wurde das Portfolio an abscheidbaren Metallen deutlich erweitert. Die folgende Abbildung illustriert die Entwicklung chronologisch.

Literatur

S. Krähling, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2016.

B. Elger, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2017.

Für eine schnelle und gründliche Clusterdeposition sind die Intensität und die Homogenität des Molekularstrahls entscheidend. Das Ziel ist dabei natürlich, möglichst alle Teilchen einer Spezies, welche die Quelle verlassen, auf der Probe abzuscheiden. Dafür ist eine komplexe Ionenoptik notwendig. Zur Beschreibung der aus 14 verschiedenen Einzelteilen bestehenden Ionenoptik hat Benjamin Elger Simulationen mit der kommerziellen Software SIMION durchgeführt. Das validierte Modell wurde anschließend mit einer globalen Optimierungsroutine gekoppelt, um sowohl die Betriebsspannungen als auch die Geometrie des Aufbaus zu verbessern. Die Berechnungen dazu wurden auf Lichtenberg durchgeführt, dem Hochleistungsrechner der TU Darmstadt.

Abb. 2: Darstellung der Simulationsgeometrie, bestehend aus dem Skimmer 1, der ersten Einzellinse 2, der Quadrupoleingangslinse 3, den Vor- und Nachstäben des Quadrupolmassenfilters 4, den Hauptstäben 5, der Ausgangslinse 6, den Einzellinsen 7-9, sowie dem Quadrupolionendeflektor 10-14.
Abb. 2: Darstellung der Simulationsgeometrie, bestehend aus dem Skimmer 1, der ersten Einzellinse 2, der Quadrupoleingangslinse 3, den Vor- und Nachstäben des Quadrupolmassenfilters 4, den Hauptstäben 5, der Ausgangslinse 6, den Einzellinsen 7-9, sowie dem Quadrupolionendeflektor 10-14.

Literatur

B. Elger, T. Schmidt, S. Krähling, F. Neuberger, R. Schäfer, Rev. Sci. Instrum. 2017, 88, 063303.

T. Schmidt, Masterthesis, Technische Universität Darmstadt, 2016.

Im Rahmen des Schwerpunktprojektes 1613 der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur solaren Wasserspaltung mit der Entwicklung alternativer Katalysatoren wurden Platinatome als Vorreiter zu kleinen Clustern auf n-dotierten Siliziumoberflächen als Modellsysteme für Endschichten aktueller Tandemsolarzellen untersucht. Die Analyse der Oberflächen erfolgt maßgeblich mittels Photoelektronenspektroskopie in Kooperation mit der Gruppe von Herrn Prof. Jaegermann der Materialwissenschaften an der Technischen Universität Darmstadt, sowie dem Elektronenspeicherring BESSY II am Helmholtz-Institut Berlin. So kann anhand von Synchrotron-XPS-Untersuchungen beispielsweise gezeigt werden, dass eine zuvor wasserfreie Probe von Platinatomen auf Silizium nach der Adsorption und Desorption von Wasser mit Hydroxidgruppen versehen ist. Dies deutet auf eine Spaltung des Wassers hin, welches als Hydoxylgruppen auf der Oberfläche zurückbleibt. Ein Effekt der auf einer platinfreien Oberfläche nicht zu erkennen ist.

Abb. 3: SXPS Valenzbanddifferenzspektren einer SiOx-Oberfläche mit und ohne Platinatome auf der Oberfläche im Verlauf der Adsorption von 100L Wasser und anschließender Desorption.
Abb. 3: SXPS Valenzbanddifferenzspektren einer SiOx-Oberfläche mit und ohne Platinatome auf der Oberfläche im Verlauf der Adsorption von 100L Wasser und anschließender Desorption.

Literatur

J. Klett, B. Elger, S. Krähling, B. Kaiser, W. Jaegermann, R. Schäfer, App. Surf. Sci. 2016, 375, 85-89.

J. Klett, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2016.