Elektronenorbitale von Molekülen sichtbar gemacht

17. Dezember 2013, 12:08
21 Postings

Grazer Physiker untersuchen grundlegende Eigenschaften der Ladungsträger, um organische Halbleiter zu verbessern

Graz - Elektronen in einem Atom bewegen sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik in sogenannten Orbitalen um den Atomkern. Wie die Elektronen mit der Materie wechselweise wirken, ist für die Lösung fundamentaler physikalischer und chemischer Fragen und technischer Probleme wesentlich. Grazer Physikern ist es nun gelungen, Elektronenorbitale von Molekülen sichtbar zu machen.

Molekulare Halbleiter bilden das Herzstück vieler neuer Technologien, u.a. von organischen Solarzellen, die Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln. Die Weiterentwicklung dieser Technologien wäre umso effektiver, je genauer die Strukturen der organischen Halbleitermaterialien aufgeklärt werden kann, schilderte Peter Puschnig vom Institut für Physik der Universität Graz. Schlüssel dazu sind die Eigenschaften der Elektronen. Diese Erforschung ihrer Wellennatur ist ein zentraler Schritt in Richtung Weiterentwicklung der Materialtechnologie.

Experimentell sind die Elektronendichten und -niveaus jedoch nicht direkt beobachtbar. Physiker können lediglich Bereiche definieren, in denen sie sich mit hoher Wahrscheinlichkeit befinden. Diesem Geheimnis von Elektronenzuständen sind Peter Puschnig und Michael Ramsey am Institut für Physik an der Universität Graz auf der Spur. Sie können die als Orbitale bezeichneten Bereiche theoretische berechnen und grafisch darstellen (numerisch simulieren).

Experiment offenbart räumliche Elektronen-Verteilung

"Orbitale beinhalten Informationen über die räumliche Verteilung der Elektronen bei einer bestimmten Energie. Sind sie bekannt, lassen sich alle relevanten Eigenschaften des Systems ableiten", erklärte Puschnig. In einem experimentellen Aufbau und mithilfe eines mathematischen Tricks konnten die beiden Grazer Arbeitsgruppen die vollständige Wellenfunktion des Orbitals inklusive der Beziehung ihrer Phasen für eine Reihe von organischen Molekülen bestimmen.

Im Experiment - im Berliner Elektronenspeicherring - wurden die Elektronen aus einer Molekül-Monolage (Monolayer) mithilfe von UV-Licht aus den Molekülen herausgeschossen. "Anschließend wurde ihre Energie- und Richtungsverteilung gemessen, was Rückschlüsse auf die ursprüngliche Bindungsenergie und räumliche Verteilung im Molekül zulässt", so Puschnig.

Die jeweilige Phasen der Wellen seien unter Berücksichtigung der "Fourier-Transformation" rekonstruierbar: "Wenn man die räumliche Ausdehnung der Wellenfunktion kennt, die durch die Größe des Moleküls vorgegeben ist, kann die fehlende Phase durch ein mathematisches Verfahren rekonstruiert werden", erklärte Daniel Lüftner aus der Grazer Arbeitsgruppe. Die Grazer Forscher haben das an fünf Molekülorbitalen gezeigt. Ihre Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "PNAS" publiziert. (APA, 17.12.2013)

  • Die Illustration liefert eine Vorstellung von den Grazer Experimenten: Ultraviolette Photonen schießen Elektronen aus einer Molekülschicht (hier grün) heraus, die auf einer Silberoberfläche adsorbiert ist. Die Messung der Energie- und Winkelverteilung der emittierten Elektronen liefert die Elektronenorbitale des Moleküls (in rot bzw. blau).
    illu.: uni graz/daniel lüfte

    Die Illustration liefert eine Vorstellung von den Grazer Experimenten: Ultraviolette Photonen schießen Elektronen aus einer Molekülschicht (hier grün) heraus, die auf einer Silberoberfläche adsorbiert ist. Die Messung der Energie- und Winkelverteilung der emittierten Elektronen liefert die Elektronenorbitale des Moleküls (in rot bzw. blau).

Share if you care.