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Nanotechnisch

Ein Interview mit Dr. Alexander Weber-Bargioni, leitender Wissenschaftler - Optoelektronische Forschungsgruppe an der Molecular Foundry des Lawrence Berkeley National Laboratory

Die Gruppe von Dr. Weber-Bargioni ist ein hoch interdisziplinäres und kollaboratives Team an der Molecular Foundry mit Fokus auf der Erforschung grundlegender optoelektronischer Eigenschaften von Nanomaterialien zur systematischen Entwicklung von zukünftigen Lichtsammelsystemen.

Die Gruppe konzentriert sich auf die Abbildung und die Korrelation zwischen lokaler optischer Eigenschaften und elektronischer Struktur, um einen Einblick in optoelektronische Prozesse auf der nativen Längenskala mithilfe von modernster Nanooptik, Kelvin-Sondenmikroskopie und Rastertunnelmikroskop-Spektroskopie zu erhalten.


Wie hat die Bildgebung im Nanobereich durch Rasterkraftmikroskopie (RKM) zur Analyse der Veränderungen in der elektronischen Struktur von Lichtsammelgeräten beigetragen?

RKM ist nicht nur gut für die lokale Abbildung der Topografie. Durch die Funktionalisierung der Spitze, indem man zum Beispiel die Sonde mit einer Metallschicht leitend macht, können wir elektrostatische Kräfte zwischen Probe und Spitze mit hoher Empfindlichkeit messen oder eine Vorspannung zwischen Probe und Spitze anlegen und den lokalen spezifischen Widerstand messen. Lokaler Widerstand, Fotostrom, oder lokale Verteilung des elektrischen Feldes geben uns einen Einblick in die optoelektronischen Prozesse von Lichtsammelwerkstoffen in genau der Größenordnung, auf der diese Prozesse ablaufen.

 

Wie können Nanowerkstoffe zu transformierenden Technologien führen?

Die Faszination der Nanowerkstoffe ergibt sich aus der Tatsache, dass sich Materialeigenschaften (z. B. die Farbe, ihre Leitfähigkeit usw.) verändern, wenn wir sie kleiner als typischerweise 10 nm machen. Im Gegensatz zu makroskopischen Bausteinen verändern Nanobausteine ihre Eigenschaften auch in Abhängigkeit von der Umgebung. Wenn wir zum Beispiel beim Hausbau zwei Steine miteinander verbinden, haben sie immer noch die gleichen Eigenschaften wie zuvor. Im Nanobereich ist das anders. Zwei miteinander verbundene Nanopartikel können ihre individuellen Eigenschaften wesentlich verändern. Das ist auf der einen Seite faszinierend und bietet enorme Möglichkeiten, ist aber auf der anderen Seite auch eine große Herausforderung. Wie verändern sich die Eigenschaften und wo können wir das bewusst einsetzen, um neue Werkstoffe zu schaffen?

 

Warum ist die Untersuchung optoelektronischer Eigenschaften wichtig?

Optoelektronische Eigenschaften und Prozesse haben ein riesiges Anwendungsspektrum: Laser, Solarzellen, Leuchtdioden, Telekommunikation, etc. ... Zur Miniaturisierung von Geräten oder Optimierung von Solarzellen im Nanobereich, müssen wir verstehen, wie sich diese Eigenschaften im Nanobereich ändern. Wie modifizieren wir diese Eigenschaften in verschiedenen Konfigurationen und können wir zum Beispiel eine Solarzelle erzeugen, die nahe am theoretischen Limit arbeitet. Dazu können wir nicht einfach die Summe mehrerer Prozesse beobachten, sondern müssen einzelne Prozesse in individuellen Nanobausteinen visualisieren. Nur so können wir man neue Materialien entwickeln.

 

Was ist eine Nanolichtsonde und wie wird sie in der Optoelektronik verwendet?

Nanolichtsonden sind optische Antennen, die im Nanomaßstab hergestellt wurden. Das Konzept der optischen Antennen wurde erst vor wenigen Jahren entdeckt, wobei wir optische Antennen dazu verwenden, Licht einzuengen, stärker als das bisher möglich war. Wir nennen das auch die Beugungsgrenze. Damit können wir Werkstoffe mit einem 10 nm breiten Spot optisch anregen und mittels optischer Spektroskopie mit einer räumlichen Auflösung von 10 nm die optoelektronischer Eigenschaften eines Materials analysieren.

 

Was haben Sie an neuen Nanomaterialien erforscht? Was sind Perowskite und warum sind sie von Bedeutung?

Wir untersuchen optoelektronische Prozesse in Perowskiten, einer neuen Klasse von Dünnschicht-PV-Werkstoffen mit einer Leistungsumwandlungsleistung von 20 %. Das war das Ergebnis der Arbeit von einigen wenigen Forschungsgruppen in weniger als 5 Jahren. Das hat natürlich das Interesse vieler Forschungsgruppen, wie auch meiner, geweckt. Wir wollen den lokalen Prozess der Umwandlung von Licht in elektrische Energie abbilden und verstehen. Wo sind die Engpässe? Gibt es einen systematischen Weg zur Optimierung dieser Materialien, sodass sie am theoretischen Limit arbeiten?

 

Welche fortschrittlichen bildgebenden Verfahren benutzen Sie in Ihrer Forschung zur Gewährleistung von Genauigkeit?

Mein Labor ist stark auf Rastersondenmikroskopie und Licht fokussiert. Wir haben ein Rastertunnelmikroskop, das im Ultrahochvakuum arbeitet, mit einem geringeren Druck als das, was wir im Weltraum haben - zumindest in unserem Sonnensystem. Es arbeitet zudem bei 4 Kelvin - also nur 4 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Von daher gesehen haben wir die Stabilität, um einzelne Atome zu sehen. Wir können diese herumschieben und für uns sehr wichtig - wir können die räumliche Ausdehnung der Molekülorbitale einzelner Moleküle abbilden. Wir haben ein optisches Nahfeldmikroskop kombiniert mit nanooptischen Antennen am Ende einer Rastersondenmikroskopspitze. Damit können wir über die Probe rastern und optisch die Eigenschaften von Materialien untersuchen, z. B. wie effizient wir ein Material an der einen oder anderen Stelle anregen können. Zu guter Letzt benutzen wir einen Park Systems Rasterkraftmikroskop in einer kontrollierten Kammer (Glovebox), wo wir Licht mit dem Spektrum der Sonne benutzen, um neue Solarzellenmaterialien auf dem Niveau zu untersuchen, wo optoelektronische Prozesse stattfinden.

 

Was können wir über das Einfangen von Licht lernen? Können wir die Bedingungen auf der Erde für eine bessere Zukunft unserer Gesellschaft revolutionieren?

Die Frage ist nicht, was wir über das Lichtsammeln lernen können. Die Frage an unsere Gesellschaft sollte sein: „Wie können wir die Lichtsammlung optimieren und als unsere Hauptenergiequelle einsetzen“. Viele Wissenschaftler, mich eingeschlossen, glauben, dass die dringendste Herausforderung unserer Zeit das Auffinden von nachhaltigen Energiequellen ist, die unseren Kindern und zukünftigen Generationen garantiert, dass sie auf diesem Planeten leben können. Ich habe da so meine Zweifel, ob zukünftige Generationen die gleiche Lebensqualität haben werden, wie wir sie in der westlichen Gesellschaft genießen konnten.

Leider denken die meisten Menschen eher kurzfristig und daher ist die einzige Frage „Ist Solarenergie billiger als andere Energiequellen?“ - unabhängig von der Implikation für morgen. Hier gibt es nur einen Weg: Steigerung der Effizienz von Solarzellen. Kostengünstige Materialien haben keinen wesentlichen Einfluss auf den Preis. Installation und Overhead kosten deutlich mehr als die Herstellung einer typischen Zelle. Um die Effizienz zu steigern, müssen wir so nahe wie möglich am theoretischen Limit arbeiten. Bei einer einzelnen Zelle liegt das bei 28%, 47% bei einer Tandem-Solarzelle. Um diese hohen Wirkungsgrade zu erreichen, müssen wir dafür sorgen, dass die Solarzelle alles auf die Zelle auftreffende Licht aufnimmt und vor allem, dass jede entstehende Fotoladung den Weg zur Elektrode findet und genutzt werden kann. Um sicherzustellen, dass alle Fotoladungen ankommen, müssen wir die Prozesse auf dem Niveau abbilden, wo diese optoelektronischen Prozesse stattfinden.

 


Alexander Weber Bargioni

Dr. Alexander Weber-Bargioni, leitender Wissenschaftler Optolektronik Forschung, Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory

Das Forschungsziel von Dr. Weber-Bargioni besteht darin, grundlegende Prozesse der Licht-Materie-Wechselwirkung im Nanobereich zu verstehen, um transformative lichtsammelnde und emittierende Materialien zu entwickeln. Er leitet die Optoelektronik-Forschungsgruppe an der Molecular Foundry des Lawrence Berkeley National Laboratory. Er studierte an der Universität Konstanz, promovierte in Physik an der University of British Columbia (2007) und absolvierte seinen Postdoc am Lawrence Berkeley National Laboratory. Seine Forschungsgruppe konzentriert sich auf das Verständnis und die Kontrolle der grundlegenden optoelektronischen Prozesse unter Benutzung von Plasmonik, Nahfeld-Bildgebung und elektronischen Struktur- und Transportstudien bei molekularer Auflösung. Für seine Arbeit erhielt er mehrere Preise, unter anderem einen DOE Early Career Award und den R&D100 Award. Er lehrt an der Technischen Universität München.


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Berkeley Lab

Berkeley Lab ist Teil des nationalen Laborsystems, das vom US Department of Energy durch das Office of Science unterstützt wird. Es wird von der University of California (UC) geleitet und ist mit der Durchführung nicht-klassifizierter Forschung auf einem breiten Gebiet von wissenschaftlichen Disziplinen beauftragt. Auf einem 200 Hektar großen Gelände in den Hügeln oberhalb des UC Berkeley Campus arbeiten ca. 4200 Wissenschaftler, Ingenieure, Mitarbeiter und Studenten. Das Budget für 2013 war 819 Millionen Dollar, mit 34,5 Millionen Dollar aus dem American Recovery and Reinvestment Act. Der wirtschaftliche Impakt auf die Volkswirtschaft wird bei 1,6 Milliarden pro Jahr eingeschätzt. Lawrence Berkeley National Laboratory stellt sich den weltweit dringendsten wissenschaftlichen Herausforderungen durch die Förderung von nachhaltiger Energie, dem Schutz der menschlichen Gesundheit, der Schaffung neuer Werkstoffe, und der Entdeckung von Herkunft und Schicksals des Universums.

Berkeley Lab wurde 1931 von Ernest Orlando Lawrence, einem Physiker der UC Berkeley, gegründet. Er erhielt 1939 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung des Zyklotrons, einem Teilchenbeschleuniger, der die Tür für hochenergetische Physik öffnete. Lawrence war davon überzeugt, dass die wissenschaftliche Forschung am besten über die Zusammenarbeit von Teams mit Individuen aus unterschiedlichen Fachgebiete erfolgt. Dieses Konzept ist lebt auch heute noch in Berkeley.