Rasterkraftmikroskopie mit chemischer Sensitivität Rätsel um die Oberfläche von Korund, Saphir und Rubin gelöst

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Ein so genanntes „Rätsel der Oberflächenwissenschaft“ wurde gelöst: Wissenschaftler aus Wien deckten nun mithilfe von Rasterkraftmikroskopie die komplexe Oberflächenstruktur von Aluminiumoxid auf. Die Ergebnisse zeigen, dass eine spezielle Umordnung der Atome in den ersten beiden Atomschichten entscheidend ist.

Aluminiumoxid (Al₂O₃), auch bekannt als Korund, Saphir oder Rubin, wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt: als Isolator in elektronischen Bauteilen, als Trägermaterial für Katalysatoren oder als chemisch inerte Keramik. Um zu verstehen, wie chemische Reaktionen auf diesem Material ablaufen, muss die Anordnung der Oberflächenatome bekannt sein. Im Inneren des Materials folgen die Atome einer festen Ordnung, wodurch sich die charakteristischen Formen von Kristallen bilden. An der Oberfläche weicht die Struktur jedoch vom Inneren des Kristalls ab. Forschende der TU Wien und der Universität Wien haben nun das Rätsel um die komplexe Struktur der Al₂O₃-Oberfläche gelöst, eine Aufgabe, die bereits 1997 als eines der „drei Rätsel der Oberflächenwissenschaft“ gelistet wurde.

Eine Stimmgabel identifiziert die Oberflächenatome

Zur Analyse der Oberflächenstruktur setzte das Forschungsteam Rasterkraftmikroskopie ein (Atomic Force Microscopy, AFM). Bei dieser Methode wird die Oberfläche mit einer scharfen Spitze, die auf einer Stimmgabel aus Quarz montiert ist, in geringem Abstand abgetastet. Die Frequenz der Stimmgabel ändert sich durch Wechselwirkung der Spitze mit den Oberflächenatomen, wodurch ein Bild der Oberfläche ohne Berührung des Materials entsteht.

Während die Auflösung dieser Methode bis auf einzelne Atome genau ist, ergibt sich allerdings ein Problem: Welche Art von Atomen vorliegt, erfasst die klassische AFM-Aufnahme nicht. Mit einer Modifikation der Spitze haben die Wiener Forscher dennoch chemische Sensitivität erreicht, also eine Unterscheidung verschiedener Atomsorten ermöglicht, wie Johanna Hütner erklärt: „Ein einzelnes Sauerstoffatom wurde ganz am Ende der Spitze angebracht, wodurch wir zwischen Sauerstoff- und Aluminiumatomen an der Oberfläche unterscheiden konnten.“ Das Sauerstoffatom an der Spitze werde von anderen Sauerstoffatomen an der Oberfläche abgestoßen und von den Aluminiumatomen der Al₂O₃-Oberfläche angezogen, führt die Forscherin aus. „Diese lokale Abstoßung oder Anziehung ermöglichte es, die chemische Identität der einzelnen Oberflächenatome zusammen mit deren Position direkt darzustellen.“

Rasterkraftmikroskopie mit Quantentechnik

Mikroskop manipuliert Quantenzustand in Atomen

Stabilisierte Oberfläche durch Umordnung der Atome

Die Forschenden fanden heraus, dass sich die Oberfläche so umstrukturiert, dass die Aluminiumatome die Oberfläche durchdringen und chemische Bindungen mit den Sauerstoffatomen in den tieferliegenden Schichten eingehen können. Durch diese Umordnung der ersten beiden Atomschichten wird die Energie erheblich reduziert und die Struktur stabilisiert, während das Zahlenverhältnis von Aluminium- zu Sauerstoffatomen unverändert bleibt.

Maschinelles Lernen als Schlüssel zum Erfolg

Das 3D-Modell der Aluminiumoxidoberfläche wurde mit Methoden des maschinellen Lernens optimiert. Die größte Herausforderung war herauszufinden, wie die Oberfläche mit dem darunter liegenden Kristall verbunden ist. „Die Struktur ist sehr komplex, was zu einer Vielzahl von Möglichkeiten führt, wie die experimentell nicht zugänglichen Atome unter der Oberfläche angeordnet sein könnten, erklärt Andrea Conti, der die Modellierung durchführte. „Modernste Algorithmen des maschinellen Lernens in Kombination mit konventionellen Berechnungsmethoden ermöglichten es uns, zahlreiche Möglichkeiten zu untersuchen und die dreidimensionale Struktur der Aluminiumoxidoberfläche zu bestimmen“

Die Studienergebnisse sind laut den Forschern ein Wegbereiter für weitere Fortschritte in der Katalyse, der Materialwissenschaft und anderen Bereichen „Durch die Zusammenarbeit von experimenteller und rechnergestützter Forschung haben wir nicht nur das langjährige Rätsel um die atomare Struktur des Isolators gelöst, sondern auch Prinzipien für die Strukturbildung entdeckt, die für eine ganze Klasse von Materialien gelten“, fasst Jan Balajka, der die Forschung leitete.

Originalpublikation: J. I. Hütner, A. Conti, D. Kugler, F. Mittendorfer, G. Kresse, M. Schmid, U. Diebold, and J. Balajka (2024).Stoichiometric reconstruction of the Al2O3(0001) surface. Science; doi: 10.1126/science.adq4744

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