... transparent, elektrisch leitend und mit faszinierenden Oberflächen

Einige Oxide von Nicht-Übergangsmetallen mit einer geschlossenen d-Schale, wie In2O3, ZnO und SnO2 haben eine Bandlücke in der von ca. 3 eV und sind daher optisch transparent. Gleichzeitig haben sie ein s-ähnliches Leitungsband und sind daher recht gute elektrische Leiter (wenn sie ein wenig n-dotiert sind). Die Kombination dieser Eigenschaften ist ebenso selten wie nützlich: Transparente, elektrisch leitfähige Oxide (TCO, transparent conducting oxide) werden in praktisch jeder Technologie benötigt, die Licht mit Elektronik verbindet, wie Solarzellen oder Leuchtdioden. Die Leitfähigkeit dieser Materialien ändert sich, wenn sie oxidierenden oder reduzierenden Gasen ausgesetzt werden, eine Eigenschaft, die in der chemischen Sensorik reichlich genutzt wird. Und wie die meisten Metalloxide spielen auch TCOs eine Rolle in der Katalyse. Die Oberflächen und Grenzflächen sind entscheidender Bedeutung wo immer diese Materialien eingesetzt werden, weshalb wir mehr über sie erfahren wollen.

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Eines der derzeit am weitesten verbreitete TCO ist das synthetische Material In2O3. Für industrielle Nutzung wird es in der Regel mit Sn dotiert und ITO (aus dem Englischen: indium tin oxide) genannt. Neben anderen Anwendungen wie z.B. in Solarzellen, wird es für transparente Elektroden von LCD- und OLED-Bildschirmen und als Gassensor verwendet. Erst kürzlich hat sich in angewandten Studien gezeigt, dass In2O3 ein Katalysator für CO2-Reduktion ist, was auch für die Oberflächenphysik interessant ist.

Da In2O3 elektrisch leitfähig ist, können alle Methoden der Oberflächenphysik uneingeschränkt eingesetzt werden – wir verwenden STM, non-contact AFM, TPD und XPS (sowohl Labor- als auch Synchrotron-basiert).

Derzeit untersuchen wir die In2O3(111)-Oberfläche von Einkristallen und kristallinen dünnen Schichten (mit PLD gewachsen, siehe "Dünne Oxidschichten nach Maß"). Diese Oberfläche beeindruckt durch die Größe ihrer Einheitszelle (1,43 nm, dreizählige Symmetrie) und die komplexe atomare Struktur mit mehreren nicht-äquivalenten Sauerstoff- und Indiumatomen, kombiniert mit bemerkenswerter Stabilität (nicht polar, keine Rekonstruktion sondern eine relaxierte Volumsterminierung).

Wasser auf Indiumoxid: Strukturmodell und ncAFM-Bild

© Margareta Wagner/IAP

Eines der aktuellen Themen ist die Wechselwirkung dieser Oberfläche mit Wasser – von einzelnen Molekülen bis zur Bildung von Multilagen, adsorbiert aus der Gasphase und bald auch im Kontakt mit flüssigem Wasser. Aus der Adsorption einzelner dissoziierter Wassermoleküle konnten wir die Protonenaffinität der verschiedenen Sauerstoffatome der Oberfläche bestimmen. Außerdem haben wir "hydrophobe Taschen" in der großen Einheitszelle der In2O3(111)-Oberfläche entdeckt, die bei Reaktionen mit unpolaren (Bio)Molekülen in wässriger Phase relevant sein könnten!

  • M. Wagner, P. Lackner, S. Seiler, A. Brunsch, R. Bliem, S. Gerhold, Z. Wang, J. Osiecki, K. Schulte, L. A. Boatner, M. Schmid, B. Meyer, U. Diebold
    Resolving the structure of a well-ordered hydroxyl overlayer on In2O3(111): Nanomanipulation and theory
    ACS Nano
    11, 11531 (2017); doi: 10.1021/acsnano.7b06387

  • M. Wagner, B. Meyer, M. Setvin, M. Schmid, U. Diebold
    Direct assessment of the acidity of individual surface hydroxyls
    Nature
    592, 722 (2021); doi: 10.1038/s41586-021-03432-3

  • H. Chen, M. A. Blatnik, C. L. Ritterhoff, I. Sokolović, F. Mirabella, G. Franceschi, M. Riva, M. Schmid, J. Čechal, B. Meyer, U. Diebold, M. Wagner
    Water structures reveal local hydrophobicity on the In2O3(111) surface
    ACS Nano
    16, 21163 (2022); doi: 10.1021/acsnano.2c09115