Natuurkundigen lossen raadsel op van tweedimensionale quasi-kristalvorming uit metaaloxiden

De structuur van tweedimensionaal titaniumoxide valt uiteen bij hoge temperaturen wanneer men barium toevoegt; in plaats van regelmatige zeshoeken worden ringen van vier, zeven en tien atomen gecreëerd die aperiodiek ordenen.

Een team van de Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) deed deze ontdekking in samenwerking met onderzoekers van het Max Planck Institute (MPI) for Microstructure Physics, de Université Grenoble Alpes en het National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, VS). het oplossen van het raadsel van tweedimensionale quasi-kristalvorming uit metaaloxiden. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Zeshoeken komen vaak voor in de natuur. Het bekendste voorbeeld is honingraat, maar ook grafeen of verschillende metaaloxiden, zoals titaniumoxide, vormen deze structuur. “Zeshoeken zijn een ideaal patroon voor periodieke arrangementen”, legt Dr. Stefan Förster uit, onderzoeker in de Surface and Interface Physics-groep van MLU’s Institute of Physics. “Ze passen zo perfect in elkaar dat er geen openingen zijn.”

In 2013 deed deze groep een verbazingwekkende ontdekking door een ultradunne laag met titaniumoxide en barium op een platinasubstraat af te zetten en dit in ultrahoog vacuüm te verhitten tot ongeveer 1000 graden Celsius. De atomen rangschikten zich in driehoeken, vierkanten en ruiten die zich groepeerden in nog grotere symmetrische vormen met twaalf randen. Er ontstond een structuur met 12-voudige rotatiesymmetrie, in plaats van de verwachte 6-voudige periodiciteit.

Volgens Förster, “werden er quasi-kristallen gemaakt met een aperiodische structuur. Deze structuur is gemaakt van elementaire atomaire clusters die sterk geordend zijn, zelfs als de systematiek achter deze ordening voor de waarnemer moeilijk te onderscheiden is.” De natuurkundigen uit Halle toonden als eersten ter wereld de vorming van tweedimensionale quasi-kristallen in metaaloxiden aan.

De mechanismen die ten grondslag liggen aan de vorming van dergelijke quasi-kristallen zijn sinds hun ontdekking raadselachtig gebleven. De natuurkundigen van MLU hebben dit raadsel nu opgelost in samenwerking met onderzoekers van het Max Planck Institute for Microstructure Physics Halle, de Université Grenoble Alpes en het National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, VS).

Met uitgebreide experimenten, energetische berekeningen en microscopie met hoge resolutie hebben ze aangetoond dat hoge temperaturen en de aanwezigheid van barium een ​​netwerk van titanium- en zuurstofringen vormen met respectievelijk vier, zeven en tien atomen. “Het barium breekt de atoomringen af ​​en stabiliseert ze”, legt Förster uit, die het gezamenlijke project leidt.

“Eén bariumatoom is ingebed in een ring van zeven, twee in een ring van tien.” Dit is mogelijk omdat de bariumatomen elektrostatisch interageren met de platinadrager, maar geen chemische binding vormen met de titanium- of zuurstofatomen.

Met hun nieuwste ontdekking hebben de onderzoekers meer gedaan dan alleen een fundamentele natuurkundige vraag ophelderen. “Nu we een beter begrip hebben van de vormingsmechanismen op atomair niveau, kunnen we proberen dergelijke tweedimensionale quasi-kristallen op aanvraag te fabriceren in andere toepassingsrelevante materialen zoals metaaloxiden of grafeen”, zegt Förster. “We zijn verheugd om te horen of deze speciale regeling volledig nieuwe en nuttige eigenschappen zal opleveren.”