Ternäre Oxidnanostrukturen: Neue Herstellungsmethoden und Eigenschaften

Oxidstrukturen im Nanometerbereich auf wohldefinierten Metalloberflächen haben völlig neuartige physikalische und chemische Eigenschaften, deren Erschließung eine kontrollierte Herstellung erfordern. Der Fokus dieses Projekts richtet sich auf die Herstellung von niederdimensionalen ternären Oxiden MWOx (M bezeichnet ein Übergangsmetall: Cu, Ni, Fe, Mn), oder auch als Wolframat benannte Nanostrukturen, sowie die anschließende Charakterisierung ihrer Eigenschaften. Besonderes Interesse gilt hierbei den Effekten der Dimension, der Skalierung und der chemischen Zusammensetzung der MWOx -Nanostrukturen auf ihre strukturellen, elektronischen und vibronischen Eigenschaften. Zur Herstellung der Nanoschichten aus ternären Oxidverbindungen, kommt ein neuer Herstellungsprozess zur Anwendung, der einen zweidimensionalen Festkörperreaktionsprozess mit (WO3 ) 3 -Clustermolekülen beinhaltet, welche im Ultrahochvakuum aus der Gasphase auf eine wohlgeordnete Oberflächenoxidphase aufgebracht werden. Das Hauptziel der Arbeit sind die Aufklärung und die Kontrolle von physikalisch relevanten thermodynamischen und kinetischen Parametern um die Festkörperreaktion zu steuern. Die Charakterisierung der strukturellen, elektronischen und vibronischen Eigenschaften der Wolframat-Nanostrukturen wird in situ und mit atomarer Genauigkeit unter Verwendung von modernen oberflächenphysikalischen Untersuchungsmethoden durchgeführt. In der ersten Phase des Projektes werden Cu- und Ni-Wolframat-Nanoschichten auf mit Sauerstoff rekonstruierten O-Cu(110)-Oberflächen und entsprechend auf O-Ni(110)-Oberflächen aufgebracht. Die FeO(111)-Doppelschicht auf einer Pt(111)-Oberfläche wird anschließend als Template zur Bildung geordneter zweidimensionaler FeWOx - Strukturen genutzt. Um Möglichkeiten zur Herstellung von (quasi-)eindimensionalen Mn-Wolframaten zu ergründen, soll die Reaktion von (WO3 ) 3 -Clustern mit MnO2 -Nanodrähten und Mn 3 O4 -Nanostreifen untersucht werden, wobei als Template eine gestufte Pd(100)-Oberfläche dient. Die Morphologie und die geometrische Struktur der verschiedenen Oberflächen werden durch die Kombination von STM und LEED erforscht. Die chemische Natur der Wolframat-Überschichten wird durch hochauflösende XPS- und NEXAFS-Messungen bestimmt, wohingegen ihre elektronische und vibronische Struktur aus ARPES- und HREELS-Daten abgeleitet wird. Um die atomare Struktur der erfolgreich präparierten MWOx -Nanostrukturen zu verstehen, werden Berechnungen mit Dichtefunktionaltheorie von der Gruppe von Prof. Alessandro Fortunelli in Pisa durchgeführt. Einzelne Strukturen werden in der Folge für detailliertere Untersuchungen ihrer Entstehungsmechanismen und chemischer Reaktivität untersucht.

Das Forschungsprojekt hat sich auf die kontrollierte Herstellung von niedrig-dimensionalen ternärer Oxid-Nanostrukturen auf Metall-Einkristallen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung und dem Verständnis ihren neuartigen physikalischen sowie chemischen Eigenschaften auf atomarer Größe fokussiert. Hierfür wurde eine Kombination aus oberflächensensitiven Messmethoden sowie ab-initio Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (DFT) verwendet. Die untersuchten ternären Oxide gehören zu der Familie der Metall-Wolframate (MWO4), welche ein hohes Anwendungspotential für moderne Nanotechnologien aufweist. Ein neues Präparationsverfahren wurde unter Verwendung von chemischen Reaktionen auf der Oberfläche von zweidimensionalen (2D) binären Metall-Oxiden und verschiedenen Wolfram-Oxid-Phasen entwickelt um strukturell geordnete 2D Metall-Wolfram Schichten zu erzeugen. Letztere haben völlig andere Strukturen im Vergleich zu gut bekannten Festkörper MWO4 Strukturen, wo sowohl M als auch W Kationen oktaedrische O-Bindungen eingehen. Abhängig vom chemischen Potential des Sauerstoffs bilden sich drei verschiedene Typen von 2D MWOx Nanoschichten, in denen W Atome dreifach (z.B. FeWO3 auf Pt(111)), vierfach (z.B. CuWO4 auf Cu(111)) und gemischte vier-/sechsfach (z.B. MnWOx auf Pd(100)) O-Bindungen bilden. Aufgrund der Beschränkung der Dicke bei atomaren Größenordnungen zeigen 2D MWOx Schichten andere physikalische und chemische Eigenschaften als ihre Festkörper-Äquivalente, wie zum Beispiel einen ferromagnetischen Grundzustand bei 2D FeWO3 Schichten auf Pt(111), eine hohe Aktivität zur Zersetzung von Methanol auf 2D CuWO4 auf Cu(110) oder ein Facettenübergang in NiWO4(100) Schichten auf Ni(110) um Polaritäten zu kompensieren. Unsere Modellstudien auf 2D Metall-Wolframaten bietet die Möglichkeit für neue, spannende Perspektiven im Bereich von ternären Oxiden und könnte wegweisend für weitere Forschungen in komplexeren Oxid-Systemen sein.