Abbildung von Metalloxid-Oberflächen auf atomarer Skala mit einer chemisch selektiven Rastersonde

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Harry Mönig
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527214857

Die atomare Struktur von Metalloxid-Oberflächen bestimmt weitgehend deren Eigenschaften, die für viele Anwendungen in den Bereichen der Energiekonversion, Elektronik, Datenspeicherung-, und der heterogenen Katalyse sowie der Biomedizin von großer Relevanz sind. Obwohl die Rastersondenmikroskopie (RSM) für deren Untersuchung einen äußerst wertvollen Zugang zur lokalen atomaren Struktur bietet, stellt die elementspezifische Zuordnung in solchen Experimenten eine große Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere für die meist unbekannte Spitzenterminierung, die den RSM-Kontrast maßgeblich bestimmt. Daher beruht die chemische Zuordnung von atomaren Gitterplätzen häufig auf indirekten strukturellen Annahmen, die dann durch umfangreiche theoretische Berechnungen gestützt werden müssen. Im vergangenen Jahrzehnt entwickelten sich Untersuchungen an organischen Nanomaterialien durch Rasterkraftmikroskopie (RKM) mit einzelnen aufgepickten CO Molekülen an der Messspitze zu einer Standardmethode mit einer drastisch gesteigerten Auflösung. Durch eigene Arbeiten wurde ein alternativer Ansatz mit O-terminierten Cu-Spitzen (CuOx-Spitzen) etabliert, der es durch eine starrere Spitzenstruktur erlaubt, Abbildungsartefakte der konventionellen Ansätze zu minimieren. Neuere RKM-Arbeiten haben nun gezeigt, dass CuOx-Spitzen darüber hinaus eine überraschend robuste chemische Selektivität auf Metalloxiden aufweisen. Das aktuelle Projekt zielt nun auf eine systematische Untersuchung, ob dieser Befund generell auf diese Materialklasse übertragbar ist. Hierzu wird eine Vielzahl unterschiedlicher Oberflächen der wichtigsten Metalloxid-Materialien mit RKM und CuOx-Spitzen untersucht. Um die resultierenden strukturellen Modelle mit Ladungsverteilungen und der lokalen Kraftwechselwirkung zu korrelieren, werden die Experimente durch ab-initio Berechnungen flankiert. Um dafür eine solide Basis zu schaffen, werden zunächst weitgehend bekannte Sauerstoff-induzierte Rekonstruktionen auf verschiedenen Metalloberflächen betrachtet, um dann den Schritt zu stärker ungeordneten Systemen zu gehen, bei denen die elementspezifischen Strukturen weitgehend unbekannt sind. Im weiteren Verlauf wird sich der Fokus des Projektes auf die binären Materialien Hämatit, Magnetit und Titandioxid richten. Schließlich werden verschiedene Facetten der ternären Perovskit-Materialien SrTiO3 und KTaO3 untersucht, was für unseren methodischen Ansatz einen wichtigen Testfall darstellt. Generell werden bei den verschiedenen Probensystemen zunächst die prototypischen Oberflächen betrachtet. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen dann als Basis für die komplexen und unbekannten Strukturen und Rekonstruktionen. Das Projekt zielt darauf ab, CuOx-Spitzen als standardisierte Messsonden für chemisch selektive Untersuchungen an hoch-relevanten Metalloxiden zu etablieren, wodurch ein Paradigmenwechsel in der Charakterisierung entsprechender Strukturen und Defekte eingeleitet wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Spanien, Tschechische Republik
• Kooperationspartner: Professor Dr. Rubén Pérez; Professor Dr. Martin Setvin