Dünne Oxidschichten: Von Honigwaben zum Quasikristall
Der Bruch der Translationssymmetrie unter Erhalt einer langreichweitigen Ordnung ist eine faszinierende Besonderheit von Quasikristallen. Für zwei-dimensionale oxidische Quasikristalle haben Forscher der Martin-Luther-Universität, des National Institute of Standards and Technology, des Max-Planck-Instituts Halle und der Universität Grenoble-Alpes durch eine Kombination aus Röntgenbeugung und Stabilitätsrechnungen eine Antwort auf offene Strukturfragen gefunden. Die Ergebnisse wurden am 7. Dezember 2022 in Nature Communications veröffentlicht.
Oxidische Quasikristalle zeigen 12-zählige Rotationssymmetrie mit einer komplexen selbstähnlichen Anordnung von Dreiecken, Quadraten und Rauten, sowie einer exzellenten langreichweitigen Ordnung. Jedoch waren die Details ihrer Struktur seit ihrer Entdeckung 2013 in Halle heiß diskutiert. In dem neuen Nature Communications Artikel löst das internationale Team das Rätsel durch eine Kombination aus Experiment und Theorie. Die quasikristalline Struktur erklärt sich aus einem Netzwerk von Titan- und Sauerstoff-Ringen TinOn mit Ringgrößen von n=4, 7 und 10, in der die größeren Ringe durch Barium oder Strontium stabilisiert werden.
Wie Graphen und zahlreiche Metalloxide bilden zweidimensionale Materialien oft periodische Honigwabenstrukturen mit Ringgrößen von n=6, wobei das zweidimensionale Ti2O3 selbst in diese Kategorie fällt. Die Autoren zeigen, dass die Strukturen der Metalloxide durch wohldefinierte Umwandlungen der Honigwabenstruktur unterschiedliche Ringgrößen bilden können. Der leitende Physiker Stefan Förster erklärt: „Überraschenderweise ist ein Ringumwandlungsmechanismus, der aus anderen zweidimensionalen Strukturen bekannt ist, das Schlüsselelement zum Verständnis der Bildung von Quasikristallen mit 12-zähliger langreichweitiger Ordnung.“ Weiterhin zeigen die Autoren durch Berechnungen der totalen Energie der elektronischen Struktur, wie die Bildung der großen Ringe durch die Ergänzung von Barium und Strontium stabilisiert wird.
Das Verständnis wie diese zweidimensionalen Oxide komplexe Strukturen bilden, eröffnet Möglichkeiten zur Erzeugung einer Vielzahl weiterer komplexer periodischer und quasikristalliner Strukturen in ultradünnen Filmen auf der Suche nach neuen Materialeigenschaften.
Dieses Projekt wurde in Teilen durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – 406658237 und durch den SFB 762 finanziert.