Theorie und Simulation von Ladungstransferprozessen auf Oberflächen

Viele technologisch interessante physikalische und chemische Prozesse laufen auf Oberflächen ab. Eine wichtige Klasse sind Reaktionen, welche die Bewegung von Elektronen beinhalten – so genannte Elektrontransferreaktionen. Solche Reaktionen laufen oft ungeheuer schnell in wenigen Femtosekunden ab. Beispiele sind etwa Elektrontransferprozesse an Halbleiter- und Metalloberflächen oder Nanopartikeln. Diese Prozesse spielen eine wichtige Rolle in neuartigen Solarzellen und im hochaktuellen Gebiet der molekularen Elektronik.

Ziel des Projekts ist es, ein umfassendes Verständnis der Mechanismen von Ladungstransferreaktionen an Oberflächen zu entwickeln, insbesondere der Bewegung der Elektronen und der Atomkerne. Dazu werden theoretische Methoden und Computersimulationen verwendet. Um schnelle Ladungstransferprozesse experimentell untersuchen zu können, wenden MAP-Physiker neue Laser mit ultrakurzen Pulsen an (siehe Projekt C.1.5).

Als praktisches Beispiel dienen Elektronentransferreaktionen auf nanostrukturierten Halbleiteroberflächen, die mit lichtempfindlichen Farbstoffen beschichtet sind. So bestehen zum Beispiel neuartige Solarzellen wie die Grätzelzelle aus Titanoxid, das vorwiegend UV-Licht absorbiert. Damit diese Oberfläche das sichtbare Sonnenlicht nutzen kann, muss sie mit entsprechenden Farbstoffen beschichtet werden.

Ein zweites Anwendungsbeispiel ist die so genannte molekulare Elektronik, die sich mit der Leitfähigkeit einzelner Moleküle zwischen Metallelektroden beschäftigt. Die technologische Vision der molekularen Elektronik ist es, die Funktion eines elektronischen Bauelements wie beispielsweise eines Transistors mit einem einzelnen Molekül zu erfüllen. Um diese Vision zu verwirklichen, ist es entscheidend zu wissen, wie sich Elektronen an Molekül-Metall-Grenzflächen verhalten.