Grenzflächen zwischen festen Phasen sind für eine Vielzahl von Anwendungen zur Energieumwandlung von zentraler Bedeutung, von der Gewinnung von Solarenergie über Festkörperlichtquellen, Hochtemperaturelektrolyse und Brennstoffzellen bis hin zu Festkörperbatterien.
Als Halbleiter-Heteroübergänge steuern sie die Dissoziation und Rekombination von Ladungsträgern entgegengesetzter Polarität. Als Elektroden-/Feststoffelektrolyt-Grenzflächen trennen sie den elektronischen und ionischen Ladungstransport. Sie können verwendet werden, um nanometergroße Resonanzhohlräume zu definieren, um lokalisierte elektronische (exzitonische, polaronische, plasmonische usw.) Anregung und Relaxation für die Gewinnung von Solarenergie und die Lichtemission abzustimmen, und sie steuern das Zusammenspiel dieser Anregungen mit der dissipativen Umgebung und elektromagnetischen Feldern im Nanomaßstab. Erst in den letzten Jahren wurden neuartige Nanofabrikationsmethoden so weit entwickelt, dass feste Grenzflächen in atomarem Maßstab gestaltet werden können, um diese Umwandlungsprozesse zu optimieren.
Neue Wachstums-, Templat- und Selbstassemblierungstechniken ermöglichen die Schaffung von Grenzflächenarchitekturen, die optimal an endliche Diffusionslängen angepasst sind, Anregungsenergien und Lebensdauern durch Quantisierung maßschneidern oder gewünschte Feldverstärkungen oder Potentialgradienten induzieren. Eine solch gezielte Gestaltung erfordert jedoch ein Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen den entsprechenden Elementaranregungen und den wichtigsten Umwandlungsprozessen auf atomarer Ebene. Dies macht Grenzflächen zwischen festen Phasen auch zu den anspruchsvollsten, da sie per Definition verborgen und daher für eine direkte Untersuchung, die korrelierte orts- und zeitaufgelöste Informationen liefern könnte, weniger zugänglich sind.
Darüber hinaus sind derartige Grenzflächen häufig funktionale Grenzflächen, die in der Anwendung erhebliche morphologische und/oder chemische Veränderungen erfahren – entweder als unerwünschte Nebenprodukte, die zu einer Degradation führen, oder als Folge der Ionenmigration, die ihre eigentliche Funktionalität ausmacht. Die Herausforderung besteht dabei nicht nur darin, Grenzflächenarchitekturen zu konstruieren, sondern sie entweder zu erhalten oder deren Veränderungen gut genug zu verstehen, um sie zu kontrollieren oder sogar für gezielte Anwendungen zu nutzen.
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