Synchrotronstrahlung enthüllt ”Strickmuster” ultradünner Schichten
March 21, 2004 by admin
Max-Planck-Materialwissenschaftler haben erstmals die atomare Struktur ultradünner Aluminiumoxydschichten entschlüsselt / Große Relevanz für neue Technologien
Aluminiumoxyd, ein scheinbar unwichtiges weißes Pulver, könnte als ultradünne keramische Schicht eine Schlüsselrolle bei Hightech-Anwendungen spielen, die vom Wärme- und Korrosionsschutz in der Luft- und Raumfahrt über Hochleistungskatalysatoren in der Chemie bis hin zu neuartigen Computerspeichern reichen. Voraussetzung dafür ist aber die genaue Kenntnis der atomaren Schichtstruktur, die man bis heute nicht aufklären konnte. Doch jetzt ist es Andreas Stierle und seinen Kollegen am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart erstmals gelungen, die Struktur kristalliner, nur einen halben Nanometer dicker Aluminiumoxyd-Schichten zu entschlüsseln (Science, 12. März 2004). Der Durchbruch gelang nach vier Jahren intensiver Forschung mit hochbrillanter Synchrotronstrahlung am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und an der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle (ESRF) in Grenoble, Frankreich. Damit können Probleme, die dieses Material noch im Wege stehen, gezielter untersucht und behoben werden.
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Abb. 1: Komplexes Beugungsbild niederenergetischer Elektronen nach Oxidation von NiAl(110). Die mit dieser und anderen Methoden gewonnenen Informationen reichen nicht aus, um die Struktur der entstehenden, nur zwei Atomlagen dicken Schichten aus Alumuniumoxyd präzise zu beschreiben.
Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung
Ultradünne Schichten aus Aluminiumoxyd erzeugt man durch thermische Oxidation eines Nickelaluminium-Einkristalls einer bestimmten Orientierung Die Schichten bestehen aus lediglich zwei Atomlagen Sauerstoff- und Aluminiumionen, die gegenüber der Volumenstruktur eine stark verzerrte Konstellation einnehmen: Die Schicht wird durch das Substrat stark verzerrt, ähnlich einem Strickmuster, an dem man zieht. Trotz jahrelanger intensiver Forschungen war man bisher nicht in der Lage, die atomare Struktur dieser ultradünnen Schichten sowie ihre Bindung auf Metallunterlagen (Substrat) zu entschlüsseln. Doch erst diese Kenntnisse ermöglichen es, auf ihre Eigenschaften und speziell auf ihr Haftungsverhalten auf einer (metallischen) Unterlage zu schließen.
Vier Jahre lang haben die Forscher des Max-Planck-Instituts für Metallforschung an der Entschlüsselung dieser Struktur gearbeitet. Das war deshalb so schwierig, weil es für Aluminiumoxyd mehr als ein Dutzend mögliche Strukturvarianten gibt. Die Schichtstruktur zu simulieren, übersteigt die Rechenkapazität selbst der modernsten Rechner. Zudem braucht man weitergehende Informationen, als traditionelle Methoden der Oberflächenanalyse – wie die Rastertunnelmikroskopie oder die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) – liefern können. Andreas Stierle, einer an der Strukturaufklärung beteiligten Max-Planck-Wissenschaftler, betont: “Nur mit hochbrillanter Synchrotonstrahlung ist man derzeit den Anforderungen gewachsen, derart komplexe Materialstrukturen aufklären zu können. Diese laserartig fokussierte Röntgenstrahlung ermöglicht es, sowohl die Oberfläche und den inneren Aufbaus der Schicht als auch ihre Grenzfläche zur Unterlage
Originalveröffentlichung:
A. Stierle, F. Renner, R. Streitel, H. Dosch, W. Drube, and B. C. Cowie
X-ray Diffraction Study of the Ultrathin oder hier
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung20040316/
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