Photoelektrochemische CO2-Konversion mit abstimmbaren Halbleiter-Nanostrukturen

• Antragsteller: Dr. Lutz Geelhaar; Matthew Mayer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442704684

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit Hilfe der Photoelektrochemie können chemische Umwandlungsreaktionen durch Sonnenlicht angetrieben werden. Die aktive Komponente ist dabei eine Photoelektrode aus einem Halbleitermaterial. Deren elektronische Struktur und Morphologie können die Reaktivität und Selektivität auf vielfältige und schwer zu entschlüsselnde Weise beeinflussen. Um die Auswirkungen dieser Parameter auf die elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid zu untersuchen, entwickelten wir Elektroden basierend auf Nanodraht- Ensembles des Materials (In,Ga)N. Diese verwenden wir als Modellsystem, das eine systematische Variation der elektronischen Struktur und Morphologie ermöglicht. Das erste Ziel war die Entwicklung eines Syntheseverfahrens zur Herstellung von (In,Ga)N-Nanodraht-Ensembles mit einstellbarer Morphologie, insbesondere der Länge und des Durchmessers der Nanodrähte sowie des Abstands zwischen ihnen. Wir optimierten ein Top- Down-Verfahren, das als Maske für das Ätzen Nanopartikel nutzt, die sich durch die Entnetzung einer Metallschicht bilden. Mit diesem Verfahren lassen sich nanostrukturierte Elektroden mit einstellbarer Morphologie für beträchtliche Elektrodengrößen (>1 cm²) herstellen. Der Vorteil im Vergleich zu Ansätzen wie Elektronenstrahllithographie ist die Einfachheit und Skalierbarkeit. Im Laufe dieser Verfahrensentwicklung entdeckten wir, dass die interne Quanteneffizienz dicker (In,Ga)N-Schichten durch Temperung erheblich verbessert werden kann. Außerdem zeigten wir, dass die Lichtabsorption in Nanodraht- Arrays im Vergleich zu planaren Schichten verstärkt wird. Das nächste Ziel war die Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration und der elektronischen Bandstruktur des Halbleiters mit Hilfe elektrochemischer Mott-Schottky- Messungen. Dieser Ansatz macht sich die Halbleiter-Flüssigkeits-Grenzfläche zunutze und ermöglicht die Charakterisierung von Nanostrukturen, was mit Standardmethoden basierend auf festen elektrischen Kontakten (z. B. Hall-Effekt) nur schwer zu erreichen ist. Wir fanden jedoch Hinweise darauf, dass wässrige Elektrolyte die Nanodraht-Seitenwände und - Zwischenräume nicht vollständig benetzen, was zu fehlerhaften Ergebnissen führt. Durch die Verwendung von nicht-wässrigen Elektrolyten konnten wir diese Einschränkung überwinden und eine schlüssige Analyse für eine Reihe von Elektrodenmorphologien erreichen. Schließlich untersuchten wir die Aktivität von (In,Ga)N-Elektroden in Bezug auf die elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Chemikalien. Durch die Verwendung von n-Typ- und p-Typ-Material konnten wir die Aktivität von Elektroden im Dunkeln und unter Beleuchtung vergleichen und beobachteten unterschiedliche Produktselektivität in Abhängigkeit von der elektronischen Konfiguration und Morphologie. Als Besonderheit beobachteten wir die Bildung von Acetat als wertvolles Produkt an bloßen GaN-Elektroden, was bisher bei der elektrochemischen CO2-Umwandlung nur an Elektroden auf Kupferbasis beobachtet wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Controlling the dimensions of top-down GaN nanowire ensembles via self-assembled metal islands, Poster presentation, Nanowire Week 2022, Chamonix, France, 25- 29 April 2022.
  J. Kang, M. Oliva, T. Auzelle, A. Tahraoui, M. Gómez Ruiz, J. Lähnemann, O. Brandt & L. Geelhaar
  
• Phenomena affecting the carbon dioxide reduction activity of semiconductor photoelectrodes, poster presentation, 23rd International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS23), Lausanne, Switzerland, 2-5 Aug. 2022.
  M. Mayer, M. Barzgar Vishlaghi, J. Kang, P. Bogdanoff, L. Geelhaar & O. Brandt
  
• Tuning the selectivity of GaN nanowire photocathodes for CO2 reduction by modifying the morphology and co-catalysis, poster presentation, GDCh Electrochemistry 2022, Berlin, Germany, 27-30 Sept. 2022.
  M. Barzgar Vishlaghi, J. Kang, M. Mayer, P. Bogdanoff, L. Geelhaar & O. Brandt
  
• Applying Line-of-Sight quadrupole mass spectrometry to monitor in-situ changes in In incorporation during epitaxy of thick (In,Ga)N films, Poster presentation, International Workshop on Nitride Semiconductors 2022, Berlin, Germany, 9-14 October 2022
  J. Kang, T. Auzelle, M. Oliva, M. Gómez Ruiz, A. Campbell, P. John, D. V. Dinh, J. Lähnemann, O. Brandt & L. Geelhaar
  
• Combining metal dewetting and digital etching for the fabrication of uniform large-area top-down GaN nanowire arrays with independently tunable diameter and spacing, Oral presentation, Nanowire Week 2023, Atlanta, USA, 9-13 October 2023.
  J. Kang, R. M. Jose, M. Oliva, T. Auzelle, O. Brandt & L. Geelhaar
  
• Electrocatalytic conversion of carbon dioxide: understanding dynamic behaviors of catalysts and cells, plenary lecture, SALSA Make & Measure 2023:Interfaces symposium, Berlin, 13 - 15 Sept. 2023.
  M. Mayer
  
• Top-down (In,Ga)N nanowires fabricated from molecular beam epitaxial layers with high structural perfection, Poster presentation, 14th International Conference on Nitride Semiconductors 2023, Fukuoka, Japan, 12-17 November 2023.
  J. Kang, M. Gómez Ruiz, A. Trampert, D. V. Dinh, A. Campbell, M. Oliva, P. John, J. Lähnemann, T. Auzelle, O. Brandt & L. Geelhaar
  
• Tuning the selectivity of GaN nanowire photocathodes for CO2 reduction by modifying the morphology and co-catalysis, poster presentation, NanoGe MATSUS fall meeting 2023, Torremolinos, Spain, 18 July 2023.
  M. Barzgar Vishlaghi, J. Kang, M. Mayer, P. Bogdanoff, L. Geelhaar & O. Brandt
  
• Scalable top-down fabrication of (In,Ga)N nanowires for epitaxial layers, Oral presentation, Compound Semiconductor Week 2024, Lund, Sweden, 3- 6 Jun 2024.
  J. Kang, A. Campbell, M. Gómez Ruiz, D. V. Dinh, P. John, T. Auzelle, O. Brandt, J. Lähnemann & L. Geelhaar
  
• Strongly enhanced internal quantum efficiency from thermal annealing of thick (In,Ga)N layers grown by molecular beam epitaxy, Poster presentation, 12th International Workshop on Nitride Semiconductors 2024, Hawaii, USA, 3-8 November 2024.
  J. Kang, A. Campbell, J. Lähnemann, L. Geelhaar & O. Brandt
  
• Uniform large-area surface patterning achieved by metal dewetting for the top-down fabrication of GaN nanowire ensembles. Nanotechnology, 35(37), 375301.
  Kang, Jingxuan; Jose, Rose-Mary; Oliva, Miriam; Auzelle, Thomas; Ruiz, Mikel Gómez; Tahraoui, Abbes; Lähnemann, Jonas; Brandt, Oliver & Geelhaar, Lutz
  
• Drastic enhancement of the internal quantum efficiency of thick (In,Ga)N layers by thermal annealing, Poster presentation, 22nd Euro MBE Workshop, Auron, France, 9-13 March 2025.
  J. Kang, A. Campbell, J. Lähnemann, L. Geelhaar & O. Brandt
  
• Growth of compositionally uniform InxGa1−xN layers with low relaxation degree on GaN by molecular beam epitaxy. Journal of Physics D: Applied Physics, 58(14), 14LT01.
  Kang, Jingxuan; Ruiz, Mikel Gómez; Dinh, Duc Van; Campbell, Aidan F.; John, Philipp; Auzelle, Thomas; Trampert, Achim; Lähnemann, Jonas; Brandt, Oliver & Geelhaar, Lutz