Aluminiumoxid (Al2O3), auch bekannt als Korund, wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt: etwa als Isolator in elektronischen Bauteilen oder als Trägermaterial für Katalysatoren. Im Inneren des Materials folgen die Atome einer festen Ordnung. An der Oberfläche weicht die Struktur jedoch von der im Inneren des Kristalls ab. Forschende der Technischen Universität Wien und der Universität Wien haben nun das Rätsel um die Struktur der Al2O3-Oberfläche gelöst. Die Forschungsgruppe um Jan Balajka und Ulrike Diebold veröffentlichte ihre Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Science.
Hochauflösende Mikroskopie identifiziert Oberflächenatome
Zur Analyse der Oberflächenstruktur setzte das Forschungsteam Rasterkraftmikroskopie ein. 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, wenn die Spitze mit den Atomen auf der Oberfläche wechselwirkt, ohne das Material zu berühren. Damit erhält man ein Bild der Oberfläche. Die Forschenden brachten ein einzelnes Sauerstoffatom an der Spitze an, so dass sie zwischen Sauerstoff- und Aluminiumatomen an der Oberfläche unterscheiden konnten. Die lokale Abstoßung und Anziehung auf der Al2O3-Oberfläche ermöglichte es, die chemische Identität der einzelnen Oberflächenatome zusammen mit deren Position direkt darzustellen.
Umstrukturierung stabilisiert die Oberfläche
Auf diese Weise fand das Team 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. Das 3D-Modell der Aluminiumoxidoberfläche wurde mit Methoden des maschinellen Lernens optimiert.
Rätsel um die atomare Struktur gelöst
„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. Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für Fortschritte in der Katalyse, der Materialwissenschaft und anderen Bereichen“, sagt Jan Balajka, der die Forschung leitete. Teile des Setups, in das das kontaktlose Rasterkraftmikroskop eingebettet ist, wurden zudem als Patent angemeldet.