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Verwendung eines einzelnen Sauerstoffatoms als Sensor, um Oberflächen auf atomarer Ebene so sanft wie möglich zu untersuchen

Oberflächen-Sauerstoffadsorbate

Hochauflösendes Bild der Oberfläche: Die Sauerstoffadsorbate sind deutlich sichtbar (orange). Bildnachweis: TU Wien

Sauerstoff ist hochreaktiv. Es sammelt sich auf vielen Oberflächen an und bestimmt deren chemisches Verhalten. An der Technischen Universität Wien untersuchen Wissenschaftler die Wechselwirkung zwischen Sauerstoff- und Metalloxidoberflächen, die in vielen technischen Anwendungen eine wichtige Rolle spielen – von chemischen Sensoren und Katalysatoren bis hin zur Elektronik.

Es ist jedoch äußerst schwierig, Sauerstoffmoleküle auf der Metalloxidoberfläche zu untersuchen, ohne sie zu verändern. An der TU Wien wurde dies nun mit einem besonderen Trick erreicht: einem einzigen Sauerstoff Atom wird an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops angebracht und dann vorsichtig über die Oberfläche geführt. Die Kraft zwischen der Oberfläche und dem Sauerstoffatom wird gemessen und ein Bild mit extrem hoher Auflösung aufgenommen. Die Ergebnisse wurden nun in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS.

Verschiedene Arten von Sauerstoff

„In den letzten Jahren wurde viel geforscht, wie sich Sauerstoff an Metalloxidoberflächen anlagert“, sagt Prof. Martin Setvin vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Bleiben O2-Moleküle intakt oder werden sie in einzelne Atome zerlegt? Oder könnte es sein, dass sich sogenannte Tetraoxygen bildet, ein Komplex aus vier Atomen? Solche Fragen sind wichtig, um chemische Reaktionen auf der Metalloxidoberfläche zu verstehen. “

Leider ist es nicht einfach, diese Atome zu fotografieren. Rastertunnelmikroskope werden häufig verwendet, um Oberflächen Atom für Atom abzubilden. Eine feine Spitze wird in extrem kurzer Entfernung über die Probe geführt, so dass einzelne Elektronen zwischen Probe und Spitze hindurchtreten können. Der dabei entstehende winzige elektrische Strom wird gemessen. Diese Methode kann jedoch nicht für Sauerstoffmoleküle verwendet werden – sie würden elektrisch geladen und würden ihr Verhalten vollständig ändern.

Martin Setvin und Igor Sokolovic

Es ist äußerst schwierig, Sauerstoffmoleküle auf der Metalloxidoberfläche zu untersuchen, ohne sie zu verändern. An der TU Wien wurde dies nun mit einem besonderen Trick erreicht: Ein einzelnes Sauerstoffatom wird an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops angebracht und anschließend sanft über die Oberfläche geführt. Die Kraft zwischen der Oberfläche und dem Sauerstoffatom wird gemessen und ein Bild mit extrem hoher Auflösung aufgenommen. Bildnachweis: TU Wien

Die Wiener Wissenschaftler verwendeten stattdessen ein Rasterkraftmikroskop. Auch hier wird eine dünne Spitze über die Oberfläche bewegt. In diesem Fall fließt kein Strom, sondern die zwischen Spitze und Oberfläche wirkende Kraft wird gemessen. Ein besonderer Trick war entscheidend – die Funktionalisierung der Spitze: „Ein einzelnes Sauerstoffatom wird zuerst von der Spitze des Rasterkraftmikroskops eingefangen und dann über die Oberfläche bewegt“, erklärt Igor Sokolovic. Das Sauerstoffatom dient somit als hochempfindliche Sonde, um die Oberfläche Punkt für Punkt zu untersuchen.

Da kein Strom fließt und das Sauerstoffatom niemals vollständig mit der Oberfläche in Kontakt kommt, ist diese Methode äußerst schonend und verändert die Atome auf der Metalloxidoberfläche nicht. Auf diese Weise kann die Geometrie der Sauerstoffablagerungen auf dem Metalloxid detailliert untersucht werden.

Eine vielseitige Methode

„Diese Funktionalisierung der Spitze durch Platzieren eines sehr spezifischen Atoms wurde in den letzten Jahren entwickelt und wir zeigen jetzt zum ersten Mal, dass sie auf Metalloxidoberflächen angewendet werden kann“, sagt Setvin.

Es stellt sich heraus, dass die Sauerstoffmoleküle auf unterschiedliche Weise an das Metalloxid gebunden werden können – entweder an den Titanatomen an der Oberfläche oder an bestimmten Stellen, an denen ein Sauerstoffatom fehlt. Je nach Temperatur können sich die Sauerstoffmoleküle dann in zwei einzelne Sauerstoffatome aufspalten. Es wurde jedoch kein Tetraoxygen gefunden – ein hypothetischer Komplex aus vier Sauerstoffatomen.

„Die Titanoxidoberflächen, die wir auf diese Weise untersuchen, sind ein Prototyp, um diese Methode zu testen“, erklärt Martin Setvin. “Die Erkenntnisse, die wir aus unseren Experimenten gewinnen, gelten aber auch für viele andere Materialien.” Die Mikroskopie mit einer funktionalisierten Spitze in einem Rasterkraftmikroskop ist eine vielseitige Methode zur Abbildung einer Oberflächenstruktur mit atomarer Auflösung ohne Zerstörung und ohne elektronische Veränderung.

Referenz: 8. Juni 2020, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.