Strukturen zweidimensionaler Quasikristalle

Die Struktur von zwei­dimensionalem Titanoxid lässt sich bei starker Hitze und unter Zugabe von Barium gezielt aufbrechen: Statt regelmäßiger Sechsecke entstehen Ringe aus vier, sieben und zehn Atomen, die sich aperiodisch verteilen. Mit dieser Entdeckung hat ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg MLU gemeinsam mit Forschenden des Max-Planck-Instituts für Mikro­strukturphysik, der Université Grenoble Alpes und des National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg ein zentrales Rätsel um die Bildung zwei­dimensionaler Quasi­kristalle aus Metalloxiden gelöst. 

Graphen oder verschiedene Metalloxide, etwa Titanoxid, bilden Sechsecke. „Sechsecke sind ein ideales Muster für eine periodische Verteilung“, sagt Stefan Förster aus der Fachgruppe Oberflächen- und Grenz­flächenphysik des Instituts für Physik. „Sie passen so perfekt ineinander, dass keine Zwischenräume entstehen.“ 2013 machte die Fachgruppe eine erstaun­liche Entdeckung, nachdem sie eine hauchdünne Lage Titanoxid auf eine Platin­unterlage aufgebracht, im Ultra­hochvakuum auf etwa eintausend Grad Celsius erhitzt und mit Barium versetzt hatte: Die Atome ordneten sich zu einer Struktur aus Dreiecken, Quadraten und Rauten, die gemeinsam eine symmetrische Figur mit zwölf Kanten bilden – die Forscher sprechen von einer zwölf­zähligen Rotations­symmetrie, im Gegensatz zur sechs­zähligen wie im Ausgangszustand. „Es entstehen Quasi­kristalle, die sich durch eine aperiodische Struktur auszeichnen. Diese Struktur basiert auf grund­legenden Atom­clustern und ist hoch geordnet, auch wenn die Systematik für den Betrachter nur schwer ersichtlich ist“, sagt Förster. Die Physiker waren die weltweit ersten, die die Bildung zwei­dimensionaler Quasikristalle in Metall­oxiden nachweisen konnten.

Welche Mechanismen der Bildung solcher Quasi­kristalle zugrunde liegen, war bislang nicht geklärt. Dieses Rätsel konnte das inter­nationale Forscherteam nun lösen. Mit aufwändigen Experimenten, energetischen Berechnungen und hoch­auflösender Mikroskopie haben sie gezeigt, dass hohe Temperaturen und die Gegenwart von Barium ein Netzwerk aus Titan- und Sauerstoff-Ringen mit jeweils vier, sieben und zehn Atomen erzeugen. „Das Barium sprengt die Atomringe auf und stabilisiert sie zugleich“, erklärt Förster. „In einen Siebener­ring wird ein Bariumatom einge­lagert, in einen Zehnerring zwei.“ Möglich ist das, weil die Bariumatome eine elektrische Bindung mit der Platinunterlage eingehen, aber keine chemische Bindung mit den Titan- oder Sauerstoff­atomen aufbauen.

Mit ihrer neuesten Entdeckung klären die Forschenden nicht nur eine grundlegende Frage der Physik. „Nachdem wir die Bildungs­mechanismen auf atomarer Ebene besser verstehen, können wir versuchen, solche zwei­dimensionalen Quasi­kristalle auch in anderen anwendungs­relevanten Materialien zu erzeugen, seien es Metalloxide oder etwa Graphen“, sagt Förster. „Wir sind gespannt, ob diese besondere Ordnung völlig neue und nutzbare Eigenschaften hervorbringt.“

MLU Halle / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Schenk et al.: 2D honeycomb transformation into dodecagonal quasicrystals driven by electrostatic forces, Nat. Commun. 13, 7542 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-35308-z
• Oberflächen- und Grenzflächenphysik, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Halle

Weitere Beiträge

• M. Engel, J. Roth und H.-R. Trebin, Eine unmögliche Entdeckung, Physik Journal, Dezember 2011, S. 31 PDF