Elektronische Inhomogenität in MoS₂-Schichten lässt sich glätten

HZB-Team untersuchte Eigenschaften von Molybdändisulfid, das u.a. als Photokatalysator bei der grünen Wasserstoffproduktion zum Einsatz kommt

Die Illustration zeigt MoS₂-Gitter (grün: Mo, gelb: S). Der untere Block stellt das Material mit einer frisch abgespaltenen Oberfläche dar. Diese Oberfläche ist unregelmäßig, was sich auch in den Messergebnissen zur elektrischen Struktur der Oberfläche zeigt (eingeblendete farbige Karte). Der obere Block zeigt diese Oberfläche nach Behandlung mit atomarem Wasserstoff (weiße Kugeln). Dadurch wird die Oberfläche gleichmäßiger. © Martin Künsting/HZB

Molybdändisulfid (MoS₂) kann z. B. als Gassensor oder als Photokatalysator bei der grünen Wasserstoffproduktion eingesetzt werden. Obwohl man in der Regel mit der Untersuchung der kristallinen Grundform beginnt, um ein Material zu verstehen, gibt es für MoS₂ viel mehr Studien zu ein- und mehrlagigen Molekularschichten als zum massiven Material. Die wenigen Studien, die bisher durchgeführt wurden, zeigen unterschiedliche und nicht reproduzierbare Ergebnisse für die elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen MoS₂-Oberflächen. Diese Frage hat nun ein Team an BESSY II systematisch untersucht.

Dr. Erika Giangrisostomi und ihr Team am HZB haben die systematische Studie an der LowDosePES-Endstation an BESSY II durchgeführt. Sie nutzten Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, um die Elektronenenergien über große Oberflächenbereiche von MoS₂-Proben zu kartieren. So konnten sie die Veränderungen der elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen Oberflächen im Ultrahochvakuum nach dem Tempern und der Einwirkung von atomarem und molekularem Wasserstoff vor Ort verfolgen.

Zwei wesentliche Erkenntnisse hat das Team gewonnen. Erstens zeigt die Studie erhebliche Schwankungen bei den Elektronenenergien für die frisch gespaltenen Oberflächen und demonstriert damit, wie leicht es zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen kann. Zweitens zeigt die Studie, dass die Behandlung mit atomarem Wasserstoff bei Raumtemperatur die elektronische Inhomogenität und Instabilität der Oberfläche wirksam neutralisiert. Ein Grund dafür liegt darin, dass Wasserstoffatome ein Elektron entweder annehmen oder abgeben können. „Unsere Hypothese ist, dass atomarer Wasserstoff bei der Neu-Ordnung von Schwefel-Fehlstellen oder Schwefel-Überschuss hilft und so zu einer gleichmäßigeren Verteilung beiträgt“, sagt Erika Giangrisostomi.

Diese Studie ist ein wichtiger Schritt bei der Erforschung von MoS₂. Denn MoS₂ wird bereits vielfältig eingesetzt, so dass diese Einblicke für Fachleute in der Elektronik, Photonik, Sensorik und Katalyse interessant sind.

Originalpublikation:

Inhomogeneity of Cleaved Bulk MoS₂ and Compensation of Its Charge Imbalances by Room-Temperature Hydrogen Treatment
Erika Giangrisostomi, Ruslan Ovsyannikov, Robert Haverkamp, Nomi L. A. N. Sorgenfrei, Stefan Neppl, Hikmet Sezen, Fredrik O. L. Johansson, Svante Svensson, Alexander Föhlisch
Advanced Materials Interfaces (n/a), 2300392. doi.org/10.1002/admi.202300392

Kontakt:

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Erika Giangrisostomi
Institute Methods and Instrumentation for Synchrotron Radiation Research
E-Mail: erika.giangrisostomi(at)helmholtz-berlin.de
www.helmholtz-berlin.de

Nachricht HZB vom 30.10.2023