Hochgeschwindigkeits-Kamera für elektrische Felder

Pasadena (USA) – Fällt Licht auf eine Solarzelle, schleudert es Bruchteile einer billionstel Sekunde später zahlreiche Elektronen aus ihren Flugbahnen um die Atome. Dieser Prozess legt die Basis für die photovoltaische Stromerzeugung. Mit einem neuen Mikroskop, präsentiert in der Zeitschrift „Science“, können diese Vorgänge nun genauer beobachtet werden. Entwickelt von Forschern um den Chemie-Nobelpreisträger 1999, Ahmed Zewail, könnte das neue Werkzeug zu höheren Stromausbeuten von Solarzellen und empfindlicheren Sensoren führen.

Schon heute können extrem schnelle Prozesse in Atomen und Molekülen mit sogenannten Pump-Probe-Laserexperimenten quasi gefilmt werden. Aber kombiniert mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop offenbart sich nun der Blick auf elektrische Felder rund um ein Material nach der Anregung mit Licht. Zewail und seine Kollegen vom California Institute of Technology in Pasadena setzten dazu ein winziges Nanoteilchen aus Silber auf eine leitfähige Unterlage aus dem extrem dünnen Kohlenstoff-Material Graphen. Mit einem sehr kurzen Laserpuls leuchteten sie genau auf das Silberteilchen. Eine zehntel billionstel Sekunde danach – in der Fachsprache 100 Femtosekunden – bewegten sich die angeregten Elektronen und erzeugten ein kleines elektrisches Feld.

Diese Felder konnten nun mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung über die Bilder des Elektronenmikroskops sichtbar gemacht werden. So liefert diese neue Analysemethode die bislang genauesten Einblicke in die rasanten, elektronischen Prozesse von Metallen. Angewendet auf die Halbleiter von Solarzellen oder filigrane Sensoren aus nur wenigen Molekülen können diese Analysen zur Steigerung der Wirkungsgrade oder Nachweisempfindlichkeiten genutzt werden.