Elektrisch kontrollierte Prozesse an Halbleiter-Gas-Grenzflächen für Power-to-Fuel-Technologien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Theodor Doll; Professorin Dr.-Ing. Julia Körner
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527334504

Wir möchten elektronische Halbleiterstrukturen erforschen, die in der Lage sind, die Adsorption gasförmiger Spezies durch elektrische Signale mit niedriger Spannung selektiv zu steuern. Sie machen sich den elektroadsorptiven Effekt (EAE) zunutze, der Gasadsorptionsprozesse (Adsorptionszustände einzelner Reaktanten) auf katalytisch aktiven Oberflächen von Halbleitern und Isolatoren durch interne elektrische Felder der unter den Oberflächen befindlichen Substrate steuern kann. Unser Hauptziel ist es zu zeigen, dass EAE zur Steigerung der Effizienz oder Ausbeute chemischer, oberflächenvermittelter Reaktionen eingesetzt werden kann. Dies soll exemplarisch an Systemen der derzeit effizienzbegrenzten Power-to-Fuel-Technologien demonstriert werden. Zu diesem Zweck wird ein methodisch stringenter Ansatz aus identifizierten chemischen Reaktionsketten, ausgewählten Materialsystemen, geeigneter Analytik, theoretischer Modellierung und Anwendungstests vorgeschlagen. Er umfasst die Korrelation der Analytik im Ultrahochvakuum mit chemischen Nachweisverfahren, die unter normalen Reaktionsbedingungen arbeiten, die quantenmechanische, dynamische Modellierung der Prozesse sowie die technologische Realisierung von Komponenten zur experimentellen Verifizierung der Reaktionseffizienz im Anwendungsbereich. Schlüsselelemente der vorgeschlagenen Forschung sind Metall-Isolator-Halbleiter-(MIS) Bauelemente mit einer katalytisch aktiven Halbleiterschicht. Betrieben bei Spannungen, die 15 Volt nicht überschreiten, verbessert der EAE die Adsorption von chemischen Reaktanden in bevorzugten Oxidations- und stereochemischen Zuständen. Die Forschungsarbeiten beginnen mit einer grundlegenden Untersuchung dieser elektronischen Zustände und reichen bis zu chemischen Verarbeitungstests, bei denen die MIS-Bauelemente in einen mikrochemischen Flachbettreaktor integriert werden und die katalytische Umwandlungseffizienz spannungsgesteuert optimiert wird. Die Ziele des Projekts sind (i) die Beantwortung der Frage, ob die EAE einen nützlichen Ansatz zur Kontrolle und Abstimmung der relevanten Reaktionskinetik für P2F-Techniken bietet, (ii) die Identifizierung der relevanten Materialzusammensetzungen und Gerätegeometrien und (iii) die Bereitstellung eines grundlegenden Modells, das die einflussreichsten Parameter für künftige Anwendungen und Entwicklungen deutlich macht. Das antragstellende Team verfügt über eine langjährig bestehende Zusammenarbeit, ist insbesondere im Bereich der EAE international führend und vereint die gesamte Kette von Grundlagenanalytik, Modellierung und Anwendungstests. Wir erwarten, durch unser Engagement eine künftige engere Zusammenarbeit von Prozesschemie und Halbleitertechnologie zu stimulieren und einen Beitrag zu leisten zur Stärkung der Energietechnologien in aufstrebenden Zukunftsfeldern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Chile, Österreich
• Partnerorganisation: Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID)
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Richard Hanke-Rauschenbach; Dr.-Ing. Jan Krügener
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Marcos Flores-Carrasco; Professor Dr.-Ing. Victor Fuenzalida-Escobar; Professorin Dr. Sabine Hild