Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Klarer Blick ins Glas

02.11.2012
Erstmals haben Berliner Forscher die Atomstruktur von amorphem Siliziumdioxid analysiert

Glas macht Dinge sichtbar, nur wie es in seinem Inneren aussieht, hat es bislang gut verborgen – zumindest, wenn es um die genaue Position der Atome geht. Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin haben jetzt erstmals das Netz aus Silizium- und Sauerstoffatomen – den Hauptbestandteilen von Glas – in einer Siliziumdioxidschicht abgebildet.


Auflösung der Ordnung: Beim Übergang von einer kristallinen zu einer amorphen Siliziumdioxid-Struktur treten zunächst Ringe mit fünf und sieben Atomen auf, erst weiter im ungeordneten Bereich sind auch Elemente mit einer größeren Abweichung von den Sechserringen der kristallinen Struktur zu finden.

© Markus Heyde/Fritz-Haber-Institut der MPG

Zu diesem Zweck analysierten sie die nur zwei Atomlagen dünne Glasschicht mit zwei Methoden, die einzelne Atome in Oberflächen darstellen. Mit ihrem Blick auf die atomare Struktur bestätigten die Forscher, dass Gläser so aufgebaut sind, wie es der norwegisch-amerikanische Physiker William H. Zachariasen bereits 1932 vorhergesagt hatte. Außerdem beobachteten die Forscher in weiteren Studien den Übergang von einer kristallinen in eine ungeordnete – Fachleute sagen: amorphe – zweidimensionale Struktur. Ihre Erkenntnisse könnten etwa der Halbleiterindustrie helfen, amorphes Siliziumdioxid kontrollierter herzustellen, sie dürften aber auch die Suche nach neuen, leistungsfähigen Katalysatoren erleichtern.

Die Halbleiterindustrie behält gerne die volle Kontrolle über ihre Produktion, und sie kann jetzt mit einer Unbekannten weniger arbeiten. Denn mit ihren Studien an Glas haben die Forscher um Markus Heyde und Hans-Joachim Freund am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft nun Einblicke in den atomaren Aufbau eines wichtigen Werkstoffs der Chipindustrie gewonnen: Amorphes Siliziumdioxid wird dort als Isolator in jedem Transistor verarbeitet. „Bislang wusste man nicht genau, was dabei passiert“, sagt Markus Heyde. „Es ist generell erstaunlich, wie wenig wir über Glas wissen, das in der Natur, in unserem Alltag und für viele technische Anwendungen so wichtig ist.“ So könnte es nicht zuletzt der Halbleiterindustrie helfen, die Verarbeitung von amorphem Siliziumdioxid zu verbessern, wenn jetzt die genaue Struktur dieses Materials bekannt wird.

Aber auch bei der Suche nach neuen, leistungsfähigen Katalysatoren, die den Energieaufwand für eine chemische Reaktion senken, diese in eine gewünschte Richtung lenken oder gar erst ermöglichen könnten sich die Erkenntnisse als hilfreich erweisen. Ungeordnetes Siliziumdioxid dient nämlich oft als Träger des eigentlichen Katalysators und beeinflusst dessen Eigenschaften. Ein guter Grund, mehr über das Trägermaterial herauszufinden. Und das haben die Berliner Forscher getan.

Die erste Möglichkeit, einen 80 Jahre alten Strukturvorschlag zu prüfen

„Wir haben erstmals direkt beobachtet, welche charakteristischen Elemente die Struktur aufweist und welche Muster in ihr auftreten“, sagt Markus Heyde. Demnach wechseln sich die Silizium- und Sauerstoffatome in einer einzelnen Siliziumdioxidlage ab und formen ein Netz von Ringen, die wie Fettaugen auf einer Brühe aneinander liegen und auch fast so unterschiedliche Größen annehmen – angefangen bei eckigen Ringen mit nur vier Atomen bis hin zu solchen mit neun oder mehr Atomen. Dabei treten sechseckige Ringe am häufigsten auf, und die Ringe werden umso seltener, je weiter die Zahl ihrer Atome von der Sechs abweicht. Eine solche Struktur hatte William H. Zachariasen schon vor 80 Jahren für amorphes Siliziumdioxid vorgeschlagen. Darin umgibt sich jedes Siliziumatom genauso wie im kristallinen Siliziumdioxid in einer Ebene mit drei Sauerstoffatomen. Kristallines Siliziumdioxid bildet in einer Ebene allerdings eine regelmäßige wabenartige Ordnung, die sich ausschließlich aus Sechsecken zusammensetzt.

Überprüfen ließ sich der Strukturvorschlag von William Zachariasen bislang nicht. Denn die Röntgenbeugung, die Methode der Wahl, um Strukturen von Materialien aufzuklären, versagt bei Gläsern und generell bei amorphem Materialien – zumindest, wenn es darum geht, die genauen Positionen der Atome zu bestimmen. Letzteres haben die Berliner Forscher aber mit einem Kniff geschafft: Sie konstruierten ein zweidimensionales Modell eines Glases. Zu diesem Zweck erzeugten sie in einer Vakuumkammer gerade mal zwei Atomlagen Siliziumdioxid auf einen Träger des Edelmetalls Ruthenium, das sie zuvor mit einer Sauerstoffschicht überzogen hatten.

Die völlig ebene Struktur ermöglicht einen Blick auf die Struktur

„Je nachdem wie wir die Temperatur bei der Probenpräparation verändern, und wie viel Silizium und Sauerstoff wir im Vakuum freisetzen, erhalten wir eine amorphe oder eine kristalline Struktur oder sogar eine Mischung aus beiden Strukturen“, erklärt Leonid Lichtenstein, der die verschiedenen Strukturen in seiner Doktorarbeit untersucht hat. Auf diese Weise erzeugten die Forscher Siliziumdioxid-Oberflächen, die so glatt sind, dass sich dagegen selbst die extrem präzise gearbeiteten Glasspiegel der weltweit besten Teleskope wie atomare Hügellandschaften ausnehmen.

„Die Struktur des zweidimensionalen Glases gibt uns wichtige Hinweise auf den Aufbau eines dreidimensionalen Glases“, sagt Markus Heyde. Und das vor allem, weil die völlig ebene Glasschicht eine Art Fenster bildet, das erstmals den Blick auf seine eigene Struktur frei gibt. Denn in ebenen Oberflächen lassen sich die Positionen der einzelnen Atome bestimmen, auch wenn die Struktur amorph ist.
In einer ersten Studie tasteten die Wissenschaftler amorphes Siliziumdioxid mit einem Rastertunnelmikroskop ab, das ihnen verrät, wo die Sauerstoffatome sitzen. Dabei offenbarten sich bereits die unregelmäßigen Maschen des Netzes, das William Zachariasen als gläserne Struktur vorgeschlagen hatte. In zwei weiteren Arbeiteten fuhren die Forscher die Oberflächen ihrer Proben zusätzlich mit einem kontaktlosen Rasterkraftmikroskop ab, das die Siliziumatome aufspürt. So erhielten sie ein genaues Bild aller Atompositionen im zweidimensionalen Glas.

Die Kenntnis der Glasstruktur hilft bei der Katalysatorentwicklung

In ihren Studien untersuchten die Wissenschaftler zudem den Übergang zwischen einer amorphen und einer kristallinen Siliziumdioxid-Schicht. „Dabei haben wir festgestellt, dass an der Grenze neben den Sechsecken zunächst vor allem Fünf- und Siebenecke auftreten – also die ähnlichsten Ringe“, sagt Markus Heyde. Je weiter sie den Blick ihres Mikroskops vom kristallinen in den amorphen Bereich schweifen ließen, desto stärker wichen die Ringgrößen von der kristallinen Sechseck-Struktur ab.

Jetzt, da die Forscher einen glasklaren Blick für jedes einzelne Atom in einer amorphen Siliziumdioxid-Schicht haben, wollen sie untersuchen, wie sich die verschiedenen Strukturelemente verhalten, wenn fremde Atome oder Moleküle auf der Glasoberfläche landen. Heften sie sich bevorzugt an Ringe einer bestimmten Größe? „Diese Frage interessiert uns, weil solche Absorptionsprozesse bei der heterogenen Katalyse wichtig sind“, erklärt Hans-Joachim Freund, Direktor am Fritz-Haber-Institut. Diese Frage wollen die Forscher aber auch beantworten, um zu klären, ob sich ihr zweidimensionales Siliziumdioxid als eine Modellsubstanz für einen technisch eingesetzten Katalysatorträger eignet. Seine zwei Atomlagen bilden ein Netz zusammenhängender Käfige mit unterschiedlich großen Öffnungen, die als eine Art atomares Sieb dienen können. Möglicherweise lassen sich aber auch unterschiedliche Elemente selektive in diesen Käfigstrukturen speichern.

Ansprechpartner

Dr. Markus Heyde
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Telefon: +49 30 8413-4149
Email: heyde@­fhi-berlin.mpg.de
Leonid Lichtenstein
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Telefon: +49 30 8413-4193
Email: lichtenstein@­fhi-berlin.mpg.de
Prof. Dr. Hans-Joachim Freund
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Telefon: +49 30 8413-4100
Fax: +49 30 8413-4101
Email: freund@­fhi-berlin.mpg.de
Originalpublikationen
Leonis Lichtenstein, Markus Heyde und Hans-Joachim Freund
Crystalline-Vitreous Interface in Two Dimensional Silica
Phys. Rev. Lett., 2012
Leonid Lichtenstein, Markus Heyde und Hans-Joachim Freund
Atomic Arrangement in Two-Dimensional Silica: From Crystalline to Vitreous Structures

J. Phys. Chem. C., 2012

Leonid Lichtenstein, Christin Brückner, Bing Yang, Shamil Shaikhutdinov, Markus Heyde, Marek Sierka, Radoslaw Wlodarczyk, Joachim Sauer und Hans-Joachim Freund
The Atomic Structure of a Metal-Supported Vitreous Thin Silica Film
Angew. Chem. Int. Ed., 2012

Dr. Markus Heyde u.a. | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/6607896

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen
20.11.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Der gestapelte Farbsensor
17.11.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie