130 — FORSCHUNG Optical excited (Nano-)Hybridsystems (Nachwuchsgruppe) Dr.-Ing. Sebastian Engel Forschungsschwerpunkte • Ferroelektrika-Halbleiter-Hybridsysteme: Synthese/Herstellung von Membranen basierend auf Halbleiterpartikeln oder Quantum Dots in einer ferroelektrischen Matrix • Optisch angeregte Polarisation: Untersuchung und Erklärung des Polarisationsverhaltens von Ferroelektrika-Halbleiter-Hybridsystemen unter optischen Anregungsbedingungen • Pyroelektrisch unterstütze Photokatalyse: Experimentelle und simulatorische Grundlagen zum pyroelektrisch unterstützen Solar-Water-Splitting mittels Ferroelektrika-Halbleiter-Hybridmembranen In der AG Engel konnte erstmals gezeigt werden, dass bei Hybridmaterialien aus halbleitenden Nanopartikeln oder Quantum Dots, dispergiert in einer ferroelektrischen Matrix, das Polarisationsverhalten durch eine zur Polarisationsspannung simultan wirkende optische Anregung massiv beeinflusst wird [1]. Dieses Verhalten beruht auf dem Effekt der lokalen Polarisationsstabilisierung durch externe Ladungsträger als Folge der halbleiterbasierten Photoleitfähigkeit in Kombination mit einer lokalen Feldüberhöhung [1]. In Verbindung mit den ebenfalls neuartig entwickelten Verarbeitungs- und -charakterisierungsverfahren [2,3] sind auf Basis der optisch getriggerten Polarisation innovative Sensor- und Aktuatorkonzepte mit Hilfe der Ferroelektrika-Halbleiter-Hybridmaterialien mögForschungsprofil lich. Vor diesem Hintergrund wurde das Forschungsprofil der AG Engel im betrachteten Zeitraum um die pyroelektrisch unterstützte Photokatalyse erweitert. Bei der Photokatalyse wird Sonnenlicht direkt zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser genutzt (Solar-Water-Splitting). Dies bietet den Vorteil einer erhöhten Systemintegration, doch ist der Wirkungsgrad derzeit noch zu gering. Der innovative Ansatz besteht hier in der effektiven, pyroelektrisch angetriebenen Trennung der angeregten Elektronen und Löcher, hin zu sich gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Photokatalysators (Abb. 1) Zu diesem Zweck werden die neuartigen Hybridmembranen so synthetisiert, dass die photokatalytische Halbleiterphase neben einer polarisierten ferroelektrischen Phase vorliegt. Der für die Photokatalyse ungeeignete Spektralbereich des Sonnenlichts wird genutzt, um den erforderlichen Temperaturgradienten zu erzeugen. Im Vergleich zur Photovoltaik, aber auch zu bisher bekannten Photokatalysatoren, erweitert dies das nutzbare Sonnenspektrum massiv, da die absorbierte Wärmestrahlung anschließend auch als Wärmequelle genutzt oder in elektrische Leistung umgewandelt werden kann, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad massiv erhöht. [1] Kober, M., Smykalla, D., Ploss B., Wachtler M., Kumar K., Stelter M. & Engel, S. (2024): Ferroelectric Properties of Polymer–Semiconductor Hybrid Material or Composite under Optical Excitation. Polymers 16, 929. https://doi.org/10.3390/polym16070929. [2] Ploss, B., Smykalla, D. & Engel, S. (2023): Structure and ferroelectric properties of P (VDF-TrFE) films prepared under different conditions— Effect of filtration of the copolymer solution. Journal of Advanced Dielectrics, 2341006. https://doi.org/10.1142/S2010135X23410060. [3] Smykalla, D., Ploss, B., Meyer, D., Stelter, M. & Engel, S. (2023): Measuring 3D pyroelectric distributions with high resolution in thin films by a laser scanning microscope. Review of Scientific Instruments 94, 023703. https://doi.org/10.1063/5.0131144. Abb. 1. FEM-Simulation der pyroelektrischen Feldverteilung bei ΔT = 1K für 3:1-P(VDF-TrFE)/C3N4Hybridmembranen ohne und mit Wasser als Umgebungsmedium.
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