Wie der Isolator zum Leiter wird

03.01.2006

Wie sich die Oberfläche von Zinkoxid auf einfache Art leitfähig machen lässt, entdeckten Bochumer Chemiker per Zufall: Bei Experimenten an Zinkoxid-Oberflächen stellten die Forscher um Prof. Dr. Christof Wöll fest, dass Wasserstoff-Atome bei Raumtemperatur ausschließlich mit den Sauerstoff-Atomen an der Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome frei bleiben. Den Zink-Atomen fehlt somit ein "Nachbar", mit dem sie eine weitere Bindung eingehen können - es bleiben ungepaarte Elektronen übrig, die elektrischen Strom leiten. Aus dem Isolator Zinkoxid wird ein guter elektrischer Leiter. Dieser Fund gibt Anstöße z.B. für die Herstellung von Solarzellen und Wasserstoffsensoren.

Für viele Anwendungen, z.B. in Solarzellen, werden durchsichtige, leitfähige Materialien gebraucht. Metalle, die klassischen Leiter, sind aber undurchsichtig und kommen daher nicht in Frage. Deswegen interessiert man sich seit langem für die entsprechenden Metall-Oxide. Allerdings sind Oxide normalerweise gute Isolatoren. Es gibt jedoch Ausnahmen: Das durchsichtige Indium-Zinn-Oxid (ITO) ist leitfähig und wird bereits vielfältig eingesetzt. Als leitende Schicht in Solarzellen muss es allerdings in einem extra Arbeitsschritt auf Oberflächen - etwa auf die des häufig eingesetzten Zinkoxids - aufgedampft werden.

Die Forscher am Lehrstuhl für Physikalische Chemie I der Ruhr-Universität fanden nun heraus, dass die Leitfähigkeit an der Oberfläche von Zinkoxid-Oberflächen auch einfacher zu haben ist: Geringe Mengen Wasserstoff reichen aus, um die Oberfläche metallisch zu machen. Die Wissenschaftler entdeckten bei Experimenten mit atomarem Wasserstoff in einer Ultrahochvakuum-Kammer, dass bei Zimmertemperatur die Wasserstoff-Atome nur mit den Sauerstoff-Atomen an der Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome an der Oberfläche frei bleiben. Die H-Atome in den sich an der Oberfläche bildenden OH-Gruppen haben also keine Partner an den benachbarten Metallatomen.

Wie theoretische Berechnungen von Dr. Bernd Meyer zeigen, führt das zur Bildung von so genannten teilgefüllten Bändern. Da Zinkoxid für die Herstellung von Solarzellen von erheblichem Interesse ist, erwarten die Forscher von diesem Ergebnis Anstöße für die Entwicklung neuer Solarzellen. Außerdem erlauben die Daten erstmals tiefere Einsichten in die Funktionsweise von Wasserstoffsensoren, die ebenfalls auf dem Material Zinkoxid basieren.

Originalveröffentlichung: Y. Wang, B. Meyer, X. Yin, M. Kunat, D. Langenberg, F. Traeger, A. Birkner and Ch. Wöll; "Hydrogen Induced Metallicity on the ZnO(10-10) Surface"; Physical Review Letters 2005, 95, 266104.

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