Oberflächenphysik auf gespaltenen kubischen Oxidperowskiten

Oxidische Materialien mit Perowskitstruktur haben großes Anwendungspotenzial, z. B. in (Foto-) Katalysatoren, Brennstoffzellen, Elektronik und Spintronik. Ein detailliertes Verständnis der Oberflächen dieser Materialien auf der atomaren Skala fehlt aber weitgehend, vor allem weil diese schwer zu präparieren bzw. instabil sind. In einer kürzlich publizierten Studie [Science 359, 572 (2018)] haben wir aufgezeigt, wie man wohldefinierte Oberflächen von zwei kubischen Perowskiten - KTaO3 und SrTiO3 - herstellen kann. Solcherart präparierte Proben erlauben es, die analytischen Techniken der Oberflächenwissenschaften anzuwenden und somit detailliert ihre Wechselwirkung mit Molekülen zu untersuchen. Das dadurch gewonnene Verständnis könnte zur Optimierung der katalytischen Reaktionen beitragen die den obengenannten Anwendungen zugrunde liegen. Des Weiteren liefern die in diesem Projekt durchgeführten Arbeiten Zugang zu grundlegenden Materialeigenschaften, wie etwa ausgezeichnete elektronische Zustände oder Ferroelektrizität. Unsere detaillierte Studie zielt auch darauf ab, neue Wege in der Oxidelektronik zu eröffnen, die zu einer neuartigen (jenseits der binären) Logik führen könnte.

Das Projekt konzentrierte sich auf die Oberflächenphysik von kubischen Perowskiten. Die Wahl dieser Materialien ist motiviert aufgrund ihres möglichen Einsatzes in der Katalyse, der Elektronik und der Herstellung erneuerbarer Brennstoffe. Perowskite haben eine ternäre chemische Zusammensetzung, d. h. sie bestehen aus mindestens drei chemischen Elementen. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften durch die Wahl und Mischung der Grundmaterialien einzustellen, wobei ihre kubische Kristallstruktur erhalten bleibt. Die ternäre Zusammensetzung macht Perowskite für verschiedene Anwendungen attraktiv, stellt jedoch eine Herausforderung für die Oberflächenwissenschaft dar: Perowskite können eine Vielzahl von atomaren Anordnungen auf der Oberfläche annehmen. Um dieses Problem zu überwinden, haben wir beschlossen, an Oberflächen zu arbeiten, die durch Spaltung hergestellt werden, und neue Methoden zur Herstellung wohldefinierter Oberflächen entwickelt, die der internen Kristallstruktur folgen. Mit diesem Ansatz haben wir eine Kombination aus atomar aufgelösten Mikroskopien und ab initio Berechnungen verwendet, um wichtige Fragen zu beantworten, die sich auf diesem Gebiet stellen, und zwar anhand der prototypischen Perowskite SrTiO3 und KTaO3. Das erste wichtige Ergebnis ist eine eingehende Analyse der komplexen elektronischen Struktur dieser Materialien. An der Oberfläche haben wir eine Konkurrenz zwischen delokalisierten Elektronen, die 2D-Elektronengase bilden, und lokalisierten Elektronen (Polaronen) unterschiedlicher Größe beobachtet. Diese Ergebnisse wurden in Nature Communications, einer der renommiertesten interdisziplinären Fachzeitschriften, veröffentlicht. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist das Verständnis, wie Moleküle an die Oberfläche binden: Perowskite verfügen über eine einzigartige Eigenschaft, die es ermöglicht, die Bindungsstärke der adsorbierten Moleküle einzustellen und möglicherweise die katalytischen Eigenschaften des Materials zu regulieren. Dieses Ergebnis wurde kürzlich in Science Advances veröffentlicht.