© Michael Schmid/IAP

Ultradünnes Zirkoniumoxid auf Pt3Zr (mit vereinfachten Strukturbild)

Ultradünnes Zirkoniumoxid auf Pt3Zr (mit vereinfachten Strukturbild)

Ein perfekter Isolator für Elektronen (aber ein Ionenleiter) ist ein Segen für Anwendungen, aber ein Fluch, wenn wir seine Oberfläche mit der Rastertunnelmikroskopie (STM) oder vielen anderen Techniken untersuchen wollen. Der Ausweg besteht in der Untersuchung sehr dünner Zirkoniumoxidschichten auf Metallen; solche Schichten sind für STM noch ausreichend leitfähig. Wir haben eine Technik entwickelt, um durch Oxidation von Legierungen, die Zr enthalten, Pt₃Zr oder Pd₃Zr, gut geordnete ultradünne Zirkoniumoxidfilme herzustellen. Diese Schichten sind tatsächlich sehr dünn, sie bestehen nur aus zwei Sauerstoffschichten und einer Zr-Schicht dazwischen! Dennoch sind sie dem "echten" Material, dem dicken Volumsmaterial ZrO₂, sehr ähnlich, und beide besitzen eine Bandlücke.

Das STM zeigt uns die Zr-Atome, die auf dieser Oberfläche perfekt angeordnet sind. Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (die auch an unserem Institut durchgeführt wurden) zeigen uns, wie der Film an das Substrat bindet und vieles mehr. Das Strukturmodell im Bild ist allerdings eine Vereinfachung; die Stöchiometrie der Schichten entspricht nicht genau ZrO₂.

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Zwei Kristallstrukturen von ZrO2 und dazugehörige STM-Bilder

Zwei Kristallstrukturen von ZrO2 und dazugehörige STM-Bilder

Obwohl die durch Oxidation von Zr-Legierungen erhaltenen ultradünnen Zirkoniumdioxid-Schichten viele Eigenschaften mit dem Volumsmaterial ZrO₂ gemeinsam haben, ist es viel realistischer, dickere ZrO₂-Schichten zu untersuchen (die aber immer noch dünn genug für STM sind). Wie bereits erwähnt, benötigen wir dafür ein geeignetes Modellsystem, um zumindest eine gewisse Leitfähigkeit zu gewährleisten. Wir haben eine Sputterdepositionsquelle konstruiert, die es uns ermöglicht, ZrO₂-Schichten mit viel besserer Qualität herzustellen als jede andere bisher bekannte Methode. Mit diesen Filmen konnten wir ein bisher erstaunliches Phänomen erklären, nämlich die Beobachtung des so genannten SMSI-Effekts (strong-metal support interaction) für ZrO₂-geträgerte Metallkatalysatoren. Wir konnten zeigen, dass ultradünne ZrO₂-Schichten sauerstoffarm sein können, obwohl ZrO₂ normalerweise nicht reduzierbar ist, und dass dies der Grund für den SMSI-Effekt ist. Die Schichten belegen auch klar den Zusammenhang zwischen Reduktion von ZrO₂ und der Kristallstruktur (Bild). Unser durch Sputtern abgeschiedenes ZrO₂ ist auch ein perfektes Modellsystem für das Verständnis der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) von Isolatoren mit großer Bandlücke: Normalerweise ist es so, dass XPS-Spektren reduzierter Oxide zu geringeren Bindungsenergien verschoben sind; bei ZrO₂ ist es aber umgekehrt!