Geheimnis des Goldglanzes entschlüsselt

Lumineszenz, d. h. die Emission von Photonen durch eine Substanz, die Licht ausgesetzt wird, ist bei Halbleitermaterialien wie Silizium schon seit Hunderten von Jahren bekannt. Das Verhalten von Elektronen im Nanomassstab, wenn sie Licht absorbieren und wieder emittieren, kann Forschenden viel über die Eigenschaften von Halbleitern verraten, weshalb sie häufig als Sonden zur Charakterisierung elektronischer Prozesse, wie sie in Solarzellen ablaufen, verwendet werden.

1969 entdeckten Wissenschaftlerinnen, dass alle Metalle bis zu einem gewissen Grad leuchten, aber in den darauffolgenden Jahren gelang es nicht, ein klares Verständnis dafür zu entwickeln, wie dies geschieht. Das erneute Interesse an dieser Lichtemission, das durch Temperaturmessungen im Nanobereich und Anwendungen in der Fotochemie ausgelöst wurde, hat die Debatte über ihren Ursprung neu entfacht. Aber die Antwort war immer noch unklar – bis jetzt.

«Wir haben sehr hochwertige Metall-Gold-Filme entwickelt, die uns in die einzigartige Lage versetzen, diesen Prozess ohne die störenden Faktoren früherer Experimente aufzuklären», sagt Giulia Tagliabue, Leiterin des Laboratory of Nanoscience for Energy Technologies (LNET) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Light: Science and Applications veröffentlichten Studie fokussierten Tagliabue und das LNET-Team Laserstrahlen auf die extrem dünnen – zwischen 13 und 113 Nanometer grossen – Goldschichten und analysierten dann das daraus resultierende schwache Leuchten. Die aus ihren präzisen Experimenten gewonnenen Daten waren so detailliert – und so unerwartet – dass sie mit Theoretikern des Barcelona Institute of Science and Technology, der University of Southern Denmark und des Rensselaer Polytechnic Institute (USA) zusammenarbeiteten, um quantenmechanische Modellierungsmethoden zu überarbeiten und anzuwenden.

Der umfassende Ansatz der Forschenden ermöglichte es ihnen, die Debatte über die Art der von den Filmen ausgehenden Lumineszenz – Photolumineszenz – zu klären, die durch das spezifische Verhalten der Elektronen und ihrer entgegengesetzt geladenen Gegenstücke (Löcher) als Reaktion auf Licht definiert ist. Ausserdem konnten sie das erste vollständige und quantitative Modell dieses Phänomens in Gold erstellen, das sich auf jedes andere Metall übertragen lässt.

Unerwartete Quanteneffekte

Tagliabue erklärt, dass das Team mit Hilfe eines dünnen Films aus monokristallinem Gold, der mit einer neuartigen Synthesetechnik hergestellt wurde, den Photolumineszenzprozess untersuchte, während sie das Metall immer dünner machten: «Wir beobachteten bestimmte quantenmechanische Effekte, die in Filmen von bis zu etwa 40 Nanometern auftraten, was unerwartet war, denn normalerweise sieht man solche Effekte bei einem Metall erst, wenn man weit unter 10 nm geht», sagt sie.

Diese Beobachtungen lieferten wichtige räumliche Informationen darüber, wo genau der Photolumineszenzprozess im Gold stattfand, was eine Voraussetzung für die Verwendung des Metalls als Sonde ist. Ein weiteres unerwartetes Ergebnis der Studie war die Entdeckung, dass das photolumineszente (Stokes-)Signal des Goldes zur Messung der Oberflächentemperatur des Materials verwendet werden kann – ein Segen für Forschende, die im Nanobereich arbeiten.

«Bei vielen chemischen Reaktionen an der Oberfläche von Metallen gibt es eine grosse Debatte darüber, warum und unter welchen Bedingungen diese Reaktionen ablaufen. Die Temperatur ist ein Schlüsselparameter, aber die Messung der Temperatur auf der Nanoskala ist extrem schwierig, weil ein Thermometer die Messung beeinflussen kann. Es ist also ein grosser Vorteil, wenn man ein Material untersuchen kann, indem man das Material selbst als Sonde benutzt», sagt Tagliabue.

Ein Goldstandard für die Entwicklung von Solarkraftstoffen

Die Forschenden glauben, dass ihre Erkenntnisse es ermöglichen werden, mit Hilfe von Metallen noch nie dagewesene detaillierte Einblicke in chemische Reaktionen zu erhalten, insbesondere in solche, die mit der Energieforschung zu tun haben. Metalle wie Gold und Kupfer – das nächste Forschungsziel des LNET – können bestimmte Schlüsselreaktionen auslösen, etwa die Rückverwandlung von Kohlendioxid (CO₂) in kohlenstoffbasierte Produkte wie Solartreibstoffe, die Sonnenenergie in chemischen Bindungen speichern.

«Um den Klimawandel zu bekämpfen, brauchen wir Technologien, mit denen wir CO₂ auf die eine oder andere Weise in andere nützliche Chemikalien umwandeln können», sagt LNET-Postdoc Alan Bowman, Erstautor der Studie.

«Die Verwendung von Metallen ist eine Möglichkeit, dies zu tun, aber wenn wir nicht genau verstehen, wie diese Reaktionen auf ihren Oberflächen ablaufen, können wir sie nicht optimieren. Die Lumineszenz bietet eine neue Möglichkeit zu verstehen, was in diesen Metallen vor sich geht.»