Schnappschüsse aus dem Inneren 05.12.2023, 07:00 Uhr

Wichtige Grundlage: Perovskit-Kristalle erstmals im Detail beobachtet

Forschenden ist es gelungen, ein besseres Verständnis für die Bewegung der Elektronen und die Schwingungen des Kristallgitters in Perovskit-Nanokristallen zu erlangen. Das soll künftig dabei helfen, das Material mit besonderen optischen Eigenschaften herzustellen.

Elektronen auf Kristallgitter von Perovskit-Nanokristallen

Angeregte Elektronen, wie in der Bildmitte zu sehen, können das schiefe Kristallgitter von Perovskit-Nanokristallen geradebiegen.

Foto: Nuri Yasdani / ETH Zürich

Das Material Perovskite ist in jüngster Vergangenheit verstärkt in das Blickfeld geraten. Vor allem die sogenannten Halid-Perovskite. Dabei handelt es sich um Minerale, die unter anderem in Solarzellen oder auch bei Quantentechnologien zum Einsatz kommen. Um sie besonders sinnvoll nutzen zu können, wäre es allerdings von Vorteil, man würde die optischen Eigenschaften dieser Minerale genauer analysieren und damit besser verstehen. Das funktioniert, wie bei vielen anderen Materialien auch, natürlich am besten, wenn man hineinschauen könnte. Im Fall von Perovskite ist das nun einem internationalen Forscherteam gelungen. Konkret konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen erstmals die Bewegungen der Atome in Nanokristallen untersuchen – mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Milliardstel Sekunden.

KI sagt Qualität von Perowskit-Solarzellen voraus

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Arbeitsvorbereiter / Bauleiter (m/w/d) Ingenieurbau Hamburg Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG
Hamburg Zum Job 
Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Bauingenieur / Wirtschaftsingenieur (Bau) / Bautechniker (m/w/d) im Technischen Projektmanagement Hochbau Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG
verschiedene Standorte Zum Job 
Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Bauingenieur / Referent (m/w/d) für RIB iTWO Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG
Sengenthal Zum Job 
VISPIRON SYSTEMS-Firmenlogo
Fahrzeugtechniker (m/w/d) Fahrzeugintensivtest VISPIRON SYSTEMS
München Zum Job 
Berliner Wasserbetriebe-Firmenlogo
Leiter:in Automatisierungs-/ Prozessleittechnik (w/m/d) Berliner Wasserbetriebe
Albemarle Germany GmbH-Firmenlogo
Techniker / Ingenieur Mess- und Elektrotechnik (m/w/d) Albemarle Germany GmbH
Langelsheim Zum Job 
Deutsche Rentenversicherung Bund-Firmenlogo
Ingenieur*in Elektrotechnik Starkstrom Energieeffizienz (m/w/div) Deutsche Rentenversicherung Bund
N-ERGIE Netz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) für Qualitäts- und Bilanzkreismanagement N-ERGIE Netz GmbH
Nürnberg Zum Job 
Helvetia Schweizerische Versicherungsgesellschaft AG-Firmenlogo
Risk Engineer (m/w/d) Brandschutz Helvetia Schweizerische Versicherungsgesellschaft AG
Notarkasse Anstalt des öffentlichen Rechts-Firmenlogo
Werkstudent (m/w/d) der Fachrichtung Architektur / Bauingenieurwesen Notarkasse Anstalt des öffentlichen Rechts
München Zum Job 
Forschungszentrum Jülich GmbH-Firmenlogo
Teamleitung - Komplexitätsmanagement in Energiesystemmodellen zur Planung einer erfolgreichen Energiewende (w/m/d) Forschungszentrum Jülich GmbH
Jülich bei Köln Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Techniker (m/w/d) im Bereich Verkehrsleittechnik und WAN-Netz Die Autobahn GmbH des Bundes
Frankfurt am Main Zum Job 
GWH Wohnungsgesellschaft mbH Hessen-Firmenlogo
Technischer Projektmanager Versorgungstechnik / TGA (m⁠/⁠w⁠/⁠d) GWH Wohnungsgesellschaft mbH Hessen
Frankfurt am Main Zum Job 
BRUNATA-METRONA GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Projektleiter Großprojekte (m/w/d) BRUNATA-METRONA GmbH & Co. KG
München Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
Strategische*r Einkäufer*in Anlagenbau (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
über ifp | Executive Search. Management Diagnostik.-Firmenlogo
Werkleiter:in über ifp | Executive Search. Management Diagnostik.
Wolfsburg Zum Job 
TB & C hybrid technologies GmbH-Firmenlogo
Produktingenieur (m/w/d) TB & C hybrid technologies GmbH
Herborn Zum Job 
Stadtwerke Verkehrsgesellschaft Frankfurt am Main mbH-Firmenlogo
Teamleitung Planung Verkehrsinfrastruktur (d/m/w) Stadtwerke Verkehrsgesellschaft Frankfurt am Main mbH
Frankfurt am Main Zum Job 
TB & C hybrid technologies GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur (m/w/d) TB & C hybrid technologies GmbH
Herborn Zum Job 
Berliner Wasserbetriebe-Firmenlogo
Ingenieur:in Anlagentechnik Auftragsprüfung / Klärwerk Wansdorf (w/m/d) Berliner Wasserbetriebe
Schönwalde-Glien Zum Job 

Perovskite sind Minerale und gleichen in ihrer Kristallstruktur dem Original Perovskit Calciumtitanat (CaTiO3). „Halid-Perovskite sind toll für viele Anwendungen in der Opto-Elektronik“, sagt Nuri Yazdani, „aber es ist in gewisser Weise verblüffend, dass diese Materialklasse solche hervorragenden optischen und elektronischen Eigenschaften haben kann.“ Nuri Yazdani und Vanessa Wood von der ETH Zürich leiten das Forscherteam gemeinsam mit Aaron Lindenberg von Stanford sowie weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Empa.

Einblick ins Innenleben von Perovskit-Nanokristallen

„Oftmals kann man die mittlere Position jedes Atoms in einem Kristall als starr betrachten, aber das ist nicht mehr möglich, wenn die optische Anregung eines Elektrons zu einer ausgedehnten Reorganisierung des Kristallgitters führt“, sagt Yazdani vom Institut für Elektrotechnik. Aufgrund dieser Ausgangssituation stellten sich die Forschenden die Frage: Wie ändern angeregte Elektronen in Perovskiten die Form des Kristallgitters? Um der Antwort näher zu kommen, wollten die Forschenden Einblick in das Innenleben eines Perovkits werfen. Dafür setzten sie eine ultraschnelle Elektronenbeugungs-Strahllinie ein, die es am Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) gibt. Diese spezielle Strahllinie stellt nur wenige hundert Femtosekunden andauernde Elektronenimpulse her. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel einer Millionstel Sekunde.

Die Elektronen treffen auf die Perovskit-Kristalle, die lediglich zehn Nanometer groß sind. Das Ergebnis: Die gebeugten Elektronen sammeln sich auf einem Schirm. Dabei überlagern sie sich entweder konstruktiv oder destruktiv. Das kommt auf die Position der Atome sowie der Beugungsrichtung an. Es ist vergleichbar mit einem Licht, das einen Doppelschlitz passiert hat. Die Überlagerung entsteht deshalb, weil Elektronen sich wie Wellen bewegen. Auf diese Art und Weise lassen sich Veränderungen in der Kristallstruktur messen, ganz gleich wie klein sie auch sein mögen.

Mehr zum Thema Nanostrukturen:

Schnappschuss von Perovskit-Nanokristallen

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erstellten sogar einen Schnappschuss von der Kristallstruktur – und zwar während und nach der Absorbierung eines Photons. Diese Möglichkeit bietet die Strahllinie am SLAC als Besonderheit dadurch, dass man den Laser einerseits bei der Aussendung der Photonen verwendet und andererseits auch bei der Auslösung des Elektronenpulses. Dadurch ließ sich die relative Ankunftszeit der Photonen und der Elektronen an den Nanokristallen feststellen. Schließlich änderte sich die Strecke der Photonen. Die Schnappschüsse gaben den Forschenden nun Aufschluss über die Verformung des Kristallgitters und wie diese sich zeitlich entwickelt.

Das Ergebnis entsprach nicht den vorher getroffenen Annahmen der Forschenden. Sie waren nämlich davon ausgegangen, dass sich durch die Verformung des Kristallgitters die Symmetrie reduzieren würde. Doch genau das Gegenteil war der Fall: Die Symmetrie vergrößerte sich. Im Detail passierte Folgendes: Die angeregten Elektronen bogen die im Ursprung krumme Kristallstruktur des Perovskits wieder gerade. „Ein Verständnis des Ursprungs der Elektronen-Phononen-Kopplung wird es in Zukunft leichter machen, Perovskite mit bestimmten auf einzelne Anwendungen zugeschnittenen optischen Eigenschaften herzustellen“, erläutert Yazdani. In TV-Geräten zum Beispiel könnten sie diese Kopplung und so die spektrale Linienbreite des ausgesendeten Lichts senken. Die anziehende Wechselwirkung zwischen Elektronen ähnelt einem anderen Mechanismus – dem, der verlustfreien Stromfluss in Supraleitern ermöglicht. Es sei auch denkbar, diese Methode zur Verbesserung des Elektronentransports einzusetzen. Und das könne die Herstellung von Perovskit-basierten Solarzellen deutlich verbessern.

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.