Forscher erklären die besondere Wirkung des Wasserstoffs für technische Anwendungen
Wasserstoffatome verhalten sich in unterschiedlichen Stoffen überraschend einheitlich
Werden Wasserstoffatome in einen Feststoff eingebettet, lagern sie sich oft an Unreinheiten ab und machen diese so unschädlich. Zwei Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten und Deutschland haben nun die genaue Wirkungsweise dieses als Passivierung bezeichneten Prozesses analysiert. Dabei haben sie herausgefunden, dass das Verhalten des Wasserstoffs von der Art des Wirtsstoffes weitgehend unabhängig ist. Das berichten die Forscher im Fachblatt Nature (Bd. 423, S, 626). Die Studie könnte zu einer Verbesserung der Herstellung von Mikrochips aus exotischen Materialien oder zur Entwicklung neuartiger Brennstoffzellen beitragen.
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Der an einem Forschungsinstitut in Palo Alto in Kalifornien beschäftigte Wissenschaftler Chris van de Walle untersuchte in seiner Arbeit zusammen mit Jörg Neugebauer vom Fritz-Haber Institut der Max Planck Gesellschaft die elektronischen Eigenschaften von Wasserstoffatomen in einem Festkörper. Dass sich derartige Atome an Unreinheiten – so genannten Fremdatomen – in dem Festkörper anlagern und diese entweder durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen neutralisieren können, ist schon seit vielen Jahrzehnten bekannt. Mikrochips etwa werden oft routinemäßig mit Wasserstoff versetzt, um die Leitfähigkeit von Störstellen zu verringern.
Ob ein Wasserstoffatom nun bei der Anlagerung an ein Fremdatom ein Elektron abgibt oder eines aufnimmt, hängt von der Energie des Systems ab. Wenn sich diese Energie oberhalb einer als Übergangsenergie bezeichneten Grenze befindet, so nimmt das Wasserstoffatom ein Elektron auf und umgekehrt. Van der Walle und Neugebauer haben nun herausgefunden, dass diese kritische Übergangsenergie von Wasserstoff überraschenderweise nicht von der Art des Feststoffes abhängt, in den der Wasserstoff eingebettet ist.
Durch ein als Dichte-Funktional bezeichnetes Simulationsverfahren fanden die Forscher heraus, dass die Übergangsenergie in einer Vielzahl von technologisch relevanten Halbleitern und Isolatoren etwa –4,5 Elektronenvolt beträgt. Dass dieser Wert von dem Wirtsstoff unabhängig zu sein scheint, hängt den Forschern nach mit einer Umordnung der Energien der Elektronen des Feststoffes in der Umgebung des Wasserstoffs zusammen.
Die Forscher meinen, dass ihre Untersuchungen auch auf Wasserstoff in Flüssigkeiten anwendbar sind. Wenn Wasserstoffatome in einer Flüssigkeit Elektronen abgeben oder aufnehmen, verändert sich deren Eigenschaft dramatisch – im ersteren Fall bildet sich eine Säure, im anderen Fall eine Base.
Ein besseres Verständnis der Eigenschaften von Wasserstoffatomen soll den Forschern nach nicht nur die Herstellung hochreiner und damit leistungsfähiger Mikrochips erleichtern. Die genaue Kenntnis der Energiezustände von Wasserstoffatomen in porösen Stoffen etwa könnte zur Herstellung verbesserter Wasserstoffspeichern für zukünftige Wasserstoffautos führen.
Stefan Maier
