19.02.2021 Abbildung von Orbitalen auf ultraschneller Zeitskala

Team des Sonderforschungsbereichs 1083 bildet Molekülorbitale während des ultraschnellen Ladungstransfers an einer Grenzfläche mit einer Zeitauflösung im Femtosekundenbereich ab.

Ultrakurzzeit-Lasersystem, das für die Messung der Elektronendynamik verwendet wurde. Es liefert kurze, hochenergetische Laserimpulse. Die Farbe des Anregungsimpulses lässt sich fast beliebig einstellen. Dadurch können Elektronentransferprozesse gezielt initiiert werden.

Elektronenorbitale bestimmen die fundamentalen Eigenschaften von Molekülen: Sie bilden nicht nur die Basis für das Verständnis chemischer Reaktionen, sondern auch für die mikroskopische Beschreibung des Ladungstransfers an Grenzflächen, wie er etwa für die Funktion organische Leuchtdioden (OLEDs) oder Solarzellen entscheidend ist. Seit einigen Jahren ermöglicht es die Photoemissions-Orbital-Tomographie, besetzte Orbitale von Molekülen abzubilden. Dabei werden Elektronen aus hochgeordneten Molekülschichten einer Oberfläche mit dem Photoeffekt herausgelöst. Aus der Energie- und Winkelverteilung der Photoelektronen erhält man über eine Fourier-Transformation die räumliche Verteilung der Elektronen in den Molekülen.

Erst die Kombination der Orbitaltomographie mit Methoden der Femtosekunden-Laserspektroskopie erlaubt jedoch die Untersuchung elektronisch angeregter Molekülorbitale und auf diese Weise die Beobachtung von Elektronentransferprozessen in Raum und Zeit, einem langgehegten Traum der Physikalischen Chemie. Dies ist nun erstmals einem Team der Arbeitsgruppe Höfer vom Fachbereich Physik in Marburg in Zusammenarbeit mit der Gruppe Tautz vom Forschungszentrum Jülich und Peter Puschnig von der Universität Graz gelungen, wie sie in der Fachzeitschrift “Science” berichten.

Mit Hilfe der zeitaufgelösten Orbitaltomographie konnten sie für das untersuchte Modellsystem, PTCDA/CuO/Cu(100) zwei unterschiedliche Anregungspfade des organischen Moleküls 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic acid dianhydride (kurz PTCDA) eindeutig nachweisen. Die zu den Molekülen und der Grenzfläche parallel orientierte Komponente des elektrischen Feldes des Anregungslasers erzeugt einen direkten Übergang zwischen dem höchsten besetzten Orbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Orbital (LUMO) der PTCDA Moleküle. Dagegen induziert die dazu senkrechte Komponente einen Elektronentransfer vom Kupfersubstrat durch die Oxidschicht in das LUMO. Einmal angeregt, hat das LUMO eine vergleichsweise lange Lebensdauer von 250 fs.

Die beiden Forschungsgruppen aus Marburg und Jülich arbeiten seit mehreren Jahren im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten und in Marburg beheimateten Sonderforschungsbereichs 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ zusammen. Professor Dr. Ulrich Höfer ist Sprecher des Sonderforschungsbereiches und Experimentalphysiker am Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg. Professor Dr. Stefan Tautz ist Leiter des Instituts für Quantum Nanoscience am Forschungszentrum Jülich. Professor Dr. Peter Puschnig lehrt an der Karl-Franzens-Universität Graz und ist Mitbegründer der Orbital-Tomographie. Entscheidend für den Erfolg des jetzt publizierten Experiments war die Entwicklung eines neuartigen Impulsmikroskops durch Dr. Robert Wallauer, welches gleichzeitig die volle Winkel- und Energieverteilung der Photoelektronen mit hoher Empfindlichkeit messen kann.

Künftig wird es die neue Methode unter anderem erlauben, organische Heterogrenzflächen und Grenzflächen zwischen zweidimensionalen Halbleitern und molekularen Schichten zu untersuchen. Neben den fundamentalen Erkenntnissen über chemische Reaktionen und Elektronentransferprozesse eröffnet das neue Experiment unzählige Möglichkeiten für die Optimierung von Grenzflächen und Nanostrukturen und die darauf beruhenden Prozessoren in Sensoren, Displays, Solarzellen, Katalysatoren und möglicherweise sogar für Anwendungen und Technologien, an die bisher noch niemand gedacht hat.

Als Probe werden PTCDA-Moleküle auf einer Kupferoxid-Oberfläche verwendet. Ein Molekülelektron wird durch einen Laserpuls in ein anderes Orbital angeregt und ändert damit seine räumliche Verteilung. Das Elektron im angeregten Orbital hat eine endliche Lebensdauer, die mit der ultraschnellen Orbitaltomographie gemessen werden kann.

Ultraschnelle Orbital-Tomographie
Als Probe werden PTCDA-Moleküle auf einer Kupferoxid-Oberfläche verwendet. Ein Molekülelektron wird durch einen Laserpuls in ein anderes Orbital angeregt und ändert damit seine räumliche Verteilung. Das Elektron im angeregten Orbital hat eine endliche Lebensdauer, die mit der ultraschnellen Orbitaltomographie gemessen werden kann.

Copyright: Sonderforschungsbereich 1083 / Till Schürmann

Originalpublikation:

R. Wallauer, M. Raths, K. Stallberg, L. Münster, D. Brandstetter, X. Yang, J. Güdde, P. Puschnig, S. Soubatch, C. Kumpf, F. C. Bocquet, F. S. Tautz, U. Höfer
“Tracing orbital images on ultrafast time scales.”
Science (2021): DOI: 10.1126/science.abf3286

Weitere Informationen:

• Webseite des Sonderforschungsbereichs 1083 "Structure and Dynamics of Internal Interfaces"
• Video: Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen - YouTube