Physiker wollen Elektronentransport an Metalloberflächen steuern

Einen Katalysator am Auto hat heute fast jeder. Doch wie erfunktioniert, das weiß fast keiner. Seine Fähigkeiten zur Abgasreinigungverdankt ein Katalysator chemischen Reaktionen, die auf der Oberflächevon kleinen Metallpartikeln ablaufen. Physiker von der Universität Würzburgerforschen die grundlegenden Mechanismen, die solche Reaktionen ablaufenlassen.

Die hohe Reaktivität von Metallpartikel-Oberflächen werde heute durch unterschiedliche Mechanismen erklärt, so Dr. Walter Pfeiffer vom Physikalischen Institut. Zum Beispiel können die beweglichen Elektronen im Metall die Reaktivität bestimmen: Wenn sie Energie zugeführt bekommen und dadurch angeregt werden, können sie an der Metalloberfläche Reaktionen auslösen oder beeinflussen. Trifft ein aus dem Metall kommendes Elektron auf ein auf der Oberfläche gebundenes Molekül, dann verändert sich dessen Bindungscharakter und damit auch seine Reaktivität.

Damit es so weit kommen kann, muss das Elektron mehr Energie besitzen als die anderen Elektronen. Allerdings überträgt sich die überschüssige Energie eines Elektrons in einem Metall unglaublich schnell auf die anderen Elektronen: Dafür sind nur wenige Femtosekunden nötig, wobei eine Femtosekunde dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde entspricht.

Neben der sehr kurzen Lebensdauer der angeregten Elektronen bestimmt aber noch ein weiterer Faktor die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron eine Reaktion auslösen kann, nämlich sein Transport zur Metalloberfläche hin oder von ihr weg. Anders als die Energieabgabe der Elektronen verstehen die Forscher diese Transportvorgänge heute noch nicht gut genug.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Pfeiffer setzt in ihrem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt laserspektroskopische Methoden ein, um den Transport angeregter Elektronen an Metallgrenzflächen zeitaufgelöst zu verfolgen. Die Elektronen in der Metallschicht werden durch einen ultrakurzen Lichtblitz von nur 20 Femtosekunden Dauer angeregt. Ein zweiter, etwas später eingestrahlter Blitz beeinflusst die vom ersten Lichtblitz angeregten Elektronen und verändert so den elektrischen Strom, der durch den ersten Lichtimpuls in Gang gesetzt wurde. Dadurch erhalten die Physiker Informationen über den Elektronentransport an Metalloberflächen.

Die sehr starken elektrischen Felder, die in einem ultrakurzen Lichtblitz auftreten, bieten laut Dr. Pfeiffer auch die faszinierende Möglichkeit, den Elektronentransport zu steuern: „Wenn es gelingt, durch die Eigenschaften des Lichtimpulses den Elektronentransport zu steuern, dann erlaubt das auch die Steuerung der Reaktion, die durch den Elektronentransport angestoßen wird.“ Das sei besonders interessant im Hinblick auf Anwendungen, wie zum Beispiel im Bereich der molekularen Elektronik. Die Eigenschaften eines Lichtimpulses können dann zur Kontrolle elektronischer Schaltvorgänge eingesetzt werden.

Weitere Informationen: Dr. Walter Pfeiffer, T (0931) 888-5753, Fax (0931) 888-4906, E-Mail: 
pfeiffer@physik.uni-wuerzburg.de