AFM befähigt das Forschungsteam, mehrere Arbeiten in internationalen Fachzeitschriften zu veröffentlichen

Kürzlich hat das Forschungsteam des Forschungsinstituts für saubere Energie und Brennstoffchemie, Fachbereich Chemieingenieurwesen der Universität für Wissenschaft und Technologie Liaoning, eine Reihe neuester Forschungsergebnisse in der erstklassigen Wasserstoffenergie-Zeitschrift International Journal of Hydrogen Energy und der maßgeblichen Grenzflächenchemie-Zeitschrift Journal of Colloid and Interface Science veröffentlicht. Das multifunktionale Atomkraftmikroskop (AFM) AtomEdge Pro, das von Truth Instruments unabhängig entwickelt wurde, lieferte entscheidende Charakterisierungen der Ladungsdynamik an der Nanoschnittstelle für die oben genannte Forschung. Durch die Nutzung seiner In-situ-Foto-unterstützten Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie (KPFM)-Technologie hat es sich zu einem Kernwerkzeug zur Aufklärung der Mechanismen der Leistungssteigerung von Materialien entwickelt.

Screenshot der Veröffentlichung in der Zeitschrift Journal of Colloid and Interface Science

Screenshot der Veröffentlichungen in der Zeitschrift International Journal of Hydrogen Energy

Das in der Reihe von Artikeln verwendete Instrumentenmodell (Truth Instruments, AtomEdge Pro)

In der photoelektrochemischen Forschung hängen die elektrochemischen Reaktionen, die durch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materialien ausgelöst werden – wie z. B. die Wasserspaltung zur Wasserstofferzeugung und die Entwicklung neuartiger Solarzellen – stark vom Ladungsverhalten an der Oberfläche und den Grenzflächen des Materials ab. Die Effizienz der Ladungstrennung, des Transports und der Rekombination bestimmt direkt die endgültige Leistung der Vorrichtung. Die KPFM-Technologie bietet in diesem Bereich einzigartige In-situ-Charakterisierungsmöglichkeiten, die insbesondere in den folgenden Aspekten demonstriert werden:

• Präzise Bandstrukturcharakterisierung: KPFM kann die Arbeitsfunktion von Photoelektrodenmaterialien wie TiO₂, BiVO₄ und Perowskiten genau messen. Dies ermöglicht die Analyse von Schlüsselparametern wie Bandverbiegung und Trägerkonzentration und liefert eine theoretische Grundlage für das Materialdesign und die Optimierung.

• Visualisierung der Ladungsdynamik:

  • Analyse der räumlichen Heterogenität: KPFM zeigt deutlich die Potentialverteilung über verschiedene Körner, Korngrenzen und Defekte auf der Materialoberfläche. Es identifiziert "Hocheffizienzregionen" für die Ladungstrennung und "Rekombinationstraps" und bietet so eine räumliche Orientierung für die Materialmodifikation.

  • Echtzeitüberwachung unter Operando-Bedingungen: Durch die Durchführung von In-situ-KPFM-Messungen unter Beleuchtung können die Prozesse der photogenerierten Ladungserzeugung, -trennung und -akkumulation in Echtzeit beobachtet werden. Dies ermöglicht auch die quantitative Bewertung der Photospannung und ihrer räumlichen Verteilung.

AFM-Topographiebilder und entsprechende 3D-Oberflächenpotentialprojektionen der Photoanode, gemessen durch In-situ-Foto-unterstützte KPFM im Dunkeln und unter Beleuchtung.

• Untersuchungen des Grenzflächenverhaltens: An Heteroübergängen oder Halbleiter-Elektrolyt-Grenzflächen kann KPFM das eingebaute elektrische Feld und die Ladungstransferprozesse untersuchen. Dies zeigt die Energieausrichtung und die Transportmechanismen und liefert direkte Beweise für das Design von Grenzflächentechnik und Modifikationsschichten.

• In-situ-Multi-Technik-Korrelation: KPFM kann synergistisch mit Methoden wie In-situ-Spektroskopie und theoretischen Berechnungen kombiniert werden, um ein mehrdimensionales, mehrskaliges umfassendes Analysesystem aufzubauen. Während einer photoelektrochemischen Reaktion verfolgt KPFM beispielsweise in Echtzeit Oberflächenpotentialänderungen, die Raman-Spektroskopie identifiziert Reaktionsintermediate und adsorbierte Spezies, und theoretische Berechnungen simulieren das Ladungsverhalten und die Reaktionswege auf atomarer/elektronischer Ebene. Die Synergie dieser drei Techniken ermöglicht eine vollständige Kettenanalyse von makroskopischen Signalen bis hin zu mikroskopischen Strukturen und theoretischen Modellen, wodurch die Tiefe und Genauigkeit des Verständnisses komplexer Reaktionsmechanismen erheblich verbessert wird.

Bewertung der mehrdimensionalen Mechanismusanalyse und Leistungskombination von In-situ-Raman-Spektroskopie mit In-situ-Foto-unterstützten KPFM-Experimenten.

Die in das AtomEdge Pro integrierte In-situ-KPFM-Technologie verbessert nicht nur die Beobachtungsfähigkeit der Grenzflächenladungsdynamik erheblich, sondern liefert auch eine robuste Datenunterstützung für das rationelle Design von hochleistungsfähigen photoelektrischen Materialien und Geräten.

AtomEdge Pro Multifunktionales Atomkraftmikroskop

Das AtomEdge Pro kann 3D-Rasterbilder von Materialien, elektronischen Geräten und biologischen Proben erstellen und eine morphologische Charakterisierung auf Sub-Angström-Niveau erreichen. Es verfügt über mehrere Betriebsarten, darunter Kontakt, Tapping und berührungsfrei, und bietet den Benutzern flexiblere und präzisere Betriebsmöglichkeiten. Darüber hinaus integriert es verschiedene Funktionsmodi wie Magnetkraftmikroskopie (MFM), Elektrostatische Kraftmikroskopie (EFM), Scanning-Kelvin-Sonden-Mikroskopie (SKPM) und Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM) und bietet so eine hohe Stabilität und hervorragende Erweiterbarkeit. Darüber hinaus können Funktionsmodule flexibel an die Bedürfnisse der Benutzer angepasst werden, um gezielte Lösungen für spezifische Forschungsbereiche bereitzustellen und eine Mehrzweck-Hochleistungs-Detektionsplattform zu schaffen.

Der Beitrag von Truth Instruments zur Veröffentlichung von hochrangigen Arbeiten durch das Forschungsteam der Universität für Wissenschaft und Technologie Liaoning in internationalen Top-Zeitschriften unterstreicht einmal mehr die bahnbrechenden Fähigkeiten inländischer High-End-Forschungsinstrumente. In Zukunft wird Truth Instruments seine technologische Innovation weiter vertiefen und flexiblere modulare Designs und eine stabilere Leistung anbieten. Dies wird chinesischen Forschungsteams helfen, weitere "von 0 auf 1"-Entdeckungen zu machen und inländische Instrumente zu einer wichtigen Kraft zu machen, die die globale Spitzenforschung unterstützt.