Elektronenüberschuss

Elektronenüberschuss ist die Bezeichnung für eine Situation, in der in einem System mehr Elektronen vorhanden sind, als durch Neutralität notwendig wäre. Das führt zu einer Netto-Ladung oder zu einer erhöhten Elektronendichte, die als Trägerladung für elektrische Leitfähigkeit dient. Der Begriff wird in der Festkörperphysik, der Elektrochemie und der Chemie verwendet.

In der Halbleitertechnik entsteht Elektronenüberschuss vor allem durch n-Typ-Dotierung. So führt z. B. die Dotierung von Silizium mit Phosphor zu zusätzlichen Valenzelektronen, die sich in der Nähe des Leitungsbandes ansammeln und als konduktive Träger frei beweglich sind. Dadurch verschiebt sich das Fermi-Niveau näher an das Leitungsband und die elektrische Leitfähigkeit steigt.

In elektrochemischen Zellen zeigt sich Elektronenüberschuss beim Laden von Elektroden. An der negativen Elektrode reichern sich Elektronen an, während Anionen und Lösungsmittel den Ausgleich durch Gegenionen liefern. Die resultierende Elektronenstruktur wird durch die elektrische Doppelschicht stabilisiert und beeinflusst die Leistungsfähigkeit von Batterien und Superkondensatoren.

In der Chemie kann ein Elektronenüberschuss auftreten, wenn Elektronen durch einen Donator schneller bereitgestellt werden, als sie vom Akzeptor aufgenommen werden; dies kennzeichnet reduzierende Bedingungen. In der Reaktions- und Katalysatorforschung ist die Elektronendichte am zentralen Metallzentrum oft entscheidend für Reaktivität und Mechanismus.

Messbar ist der Elektronenüberschuss durch Messungen der Elektronendichte und des Leitungsverhaltens, z. B. mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Elektronenspinresonanz (EPR) oder elektrochemischen Verfahren. In Materialien geht er einher mit Veränderungen von Arbeitspotenzial, Bandstruktur und Mobilität.