24.05.2022
Neue Wege für die Oberflächenforschung
Forschenden der Universität Hamburg, von European XFEL und von DESY ist es gelungen, am DESY-Röntgenlaser FLASH Details von Elektronenorbitalen zu untersuchen. Das Team berichtet im Forschungsmagazin Nature Communications über die neue Methode, mit der es möglich ist, die zeitliche Änderung der Wellenfunktion von Molekülorbitalen zu beobachten.
Diese Änderungen sind von entscheidender Bedeutung für Reaktionen von Molekülen auf Oberflächen, und ihre Untersuchung kann die Entwicklung neuer funktioneller Geräte ermöglichen.
Auf festen Oberflächen absorbierte Moleküle bilden hybride organisch-anorganische Materialien, deren Eigenschaften für Anwendungen in der Optoelektronik, in der Katalyse, oder in der Energiespeicherung von großem Nutzen sind. Mit Hilfe der Photoelektronenmikroskopie lassen sich die Elektronenorbitale von Molekülen mit atomarer Auflösung sichtbar machen. Dabei gibt die Form der Orbitale Einblick in die Eigenschaften der hybriden organisch-anorganischen Materialien.
"Wir haben diese Technik auf den Zeitbereich erweitert, um dynamische Prozesse an der hybriden Grenzfläche zu untersuchen, die innerhalb weniger Pikosekunden nach der optischen Anregung stattfinden", sagt Daria Gorelova, Professorin an der Universität Hamburg und im Exzellenzcluster "CUI: Advanced Imaging of Matter".
Um das Zusammenspiel zwischen Ladungs-, Elektronen- und Strukturveränderungen zu verstehen, untersuchte das Team von Forschenden von European XFEL, DESY und der Universitäten Hamburg, Würzburg, Kiel und Freiberg mit Licht angeregte Pentacen-Moleküle, die auf einem Silbersubstrat adsorbiert sind.
Am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY erhielten sie so Momentaufnahmen von Molekülorbitalen zu verschiedenen Zeiten der sehr schnellen Rektionen. Um diese Daten interpretieren zu können, entwickelte das Team eine theoretische Beschreibung und kombinierte sie mit experimentellen Daten und Berechnungen. So konnten sie Details der Bewegungen und der Energiezustände von Elektronen an Grenzflächen aufdecken.
"Die ultraschnelle Impulsmikroskopie wird einen noch nie dagewesenen Einblick in die durch Photonen ausgelöste Dynamik geben und neue Wege für die Oberflächenforschung eröffnen", sagt Markus Scholz, Wissenschaftler bei FLASH. Anders Madsen, Ko-Autor der Veröffentlichung und leitender Wissenschaftler am European XFEL, fügt hinzu: "Diese Methode ebnet den Weg für weitere Anwendungen an Freie-Elektronen-Lasern und ermöglicht die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien mit maßgeschneiderten optischen und elektronischen Eigenschaften."
"Wir freuen uns sehr über das erfolgreiche Experiment bei DESY", sagt Serguei Molodtsov, wissenschaftlicher Direktor am European XFEL, der auch Professor an der TU Freiberg und Ko-Autor der Veröffentlichung ist. "Am European XFEL bauen wir derzeit ein Impulsmikroskop zur Photoelektronenspektroskopie auf, das die Forschung bei FLASH ergänzen und mit kürzeren Wellenlängen noch detaillierter Informationen über hybriden Strukturen liefern wird."
Quelle: European XFEL GmbH