Auf die geometrische Ausrichtung kommt es an: Ob sich ein Material, das man auf der Oberfläche eines Festkörpers anbringt, gut als Katalysator eignet, kann von der Richtung abhängen, in der sich eine geordnete Kristallstruktur ausbildet.Florian Mittendorfer und Josef Redinger vom Institut für Angewandte Physik konnten gemeinsam mit Kollegen von der Universität Erlangen in einem Artikel für das Fachjournal „Physical Review Letters“ nun zeigen, dass man diese Ausrichtung einer Kobalt-Oxid-Oberfläche chemisch beeinflussen kann.

Materialwissenschaft („Materials and Matter“) ist einer der fünf Forschungsschwerpunkte der TU Wien. Die Arbeit entstand im Rahmen des FWF-Spezialforschungsbereichs „FOXSI“ (Functional Oxide Surfaces and Interfaces).

Zerschnittene Würfelgitter
Atomlage für Atomlage lassen sich ultradünne Schichten eines Materials auf ein geeignetes Substrat aufdampfen. Die Atome ordnen sich dabei immer auf die gleiche Weise an: Kobalt-Oxid, das von den TU-Forschern nun untersucht wurde, bildet eine würfelförmige Kristallstruktur aus. Diese Kristallstruktur kann aber bezogen auf das Substrat darunter in verschiedenen Richtungen orientiert sein: Entweder wird die Grenzfläche zwischen Substrat und Metalloxid von den Würfel-Flächen gebildet, oder die Grenzfläche steht im rechten Winkel auf die Raumdiagonale des Würfels – so als würde man das Kristallgitter diagonal durchschneiden und dann auf das Substrat setzen (siehe Bild).

Unterschiedliche Gitterkonstanten
Auch wenn verschiedene Materialien die gleiche kubische Kristallstruktur aufweisen: Der Abstand zwischen zwei benachbarten Atomen ist von Material zu Material unterschiedlich. Das erschwert das Andocken der aufgedampften Gitterstruktur auf das Substrat. „Anfangs lagern sich die aufgedampften Atome so an, dass ihre Position zur Gitterkonstanten des Substrats passt“, erklärt Florian Mittendorfer. Wird die aufgedampfte Schicht dicker, zeigt sich das Problem immer deutlicher: Das Substrat gibt eine Gitterkonstante vor, das neu aufgedampfte Material eine andere. Auf mikroskopischer Ebene wirken dadurch große Kräfte auf die einzelnen Atome ein – wie bei Legosteinen leicht unterschiedlicher Größe, die man mit Gewalt ineinanderzustecken versucht.
 
„Bisher dachte man, dass diese Spannungen an der Oberfläche darüber entscheiden, in welche Richtung sich das Kristallgitter des Metalloxids ausrichtet“, sagt Mittendorfer. In Computersimulationen konnte er nun gemeinsam mit Josef Redinger allerdings zeigen, dass die chemische Bindung an der Grenzfläche dabei eine viel wichtigere Rolle spielt. Experimentell überprüft wurden die Berechnungen von einem Team der Universität Erlangen-Nürnberg.

Selbe Geometrie – andere Chemie
„Wir sahen uns an, was passiert, wenn man das Substrat-Material Iridium erst mit einer Schicht von Kobalt-Atomen überzieht, und dann das Kobalt-Oxid aufdampft“ berichtet Florian Mittendorfer. Die Kobalt-Atome ändern die Kristallstruktur des Substrates nicht. Durch diese zusätzliche Schicht wird also die Geometrie der Kristallstruktur (die für die Deformation an der Oberfläche verantwortlich ist) nicht geändert. Was sich allerdings ändert ist das chemische Verhalten der Oberfläche – und das bestimmt die Ausrichtung von Kobalt-Oxid. Der Grund dafür ist eine kompliziertere Zwischenschicht, die sich zwischen der Kobalt-Lage und dem Kobalt-Oxid-Kristall ausbildet. In dieser sogenannten „Precursor-Struktur“ bilden die Sauerstoff- und Kobalt-Atome  eine Pufferzone zwischen den Materialien, sodass die unterschiedlichen Kristallgitter besser aufeinanderpassen.

„Ahnliche Precursor-Strukturen können auch bei anderen Metall-Oxid  Grenzflächen ausgebildet werden“, meint Mittendorfer. Die nun gewonnenen Erkenntnisse könnten daher für viele Grenzschicht-Phänomene von Bedeutung sein.

Nähere Information:
Florian Mittendorfer
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
T.: +43-1-58801-15837
<link email>florian.mittendorfer@tuwien.ac.at