Materialforschung

Zufällig gemischte Atome in Reih und Glied für nachhaltige Katalyse

Für das Energiesystem der Zukunft werden nachhaltige Katalysatoren benötigt, die es zum Beispiel ermöglichen, grünen Wasserstoff effizient zu produzieren. Materialien, die aus Mischungen von fünf chemischen Elementen bestehen, sind viel versprechend, um zukünftig ideale Katalysatoren zu ermöglichen. Forschende des DFG Sonderforschungsbereichs 1625 „Atomarskaliges Verständnis und Design von multifunktionalen Mischkristalloberflächen mit komplexer chemischer Zusammensetzung“ haben es geschafft, solche sogenannten komplexen Mischkristalle nahezu einkristallin auf einem Saphir-Wafer wachsen zu lassen und mittels vier verschiedener Mikroskopiemethoden genaustens zu untersuchen. Sie berichten in der Zeitschrift Materials Horizons vom 14. Juli 2026. 

Atome aus fünf Richtungen

Um komplexe Mischkristalle herzustellen, nutzen die Forschenden eine kombinatorische Beschichtungsanlage (Ko-Sputtern), die Atome der fünf gewählten Ausgangselemente aus fünf Richtungen auf einen Wafer schießt. „Dort lagern sie sich zufällig ab und bilden chemisch ungeordnete Nano-Kristalle mit unzähligen Grenzflächen“, beschreibt Prof. Dr. Alfred Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum, Sprecher des Sonderforschungsbereichs. „Während das für Anwendungen sehr gut ist, ist es gleichzeitig eine Herausforderung, diese neuen Materialien im Rahmen der Grundlagenforschung mit bis zu atomarer Auflösung zu untersuchen. Für deren zukünftiges zielgerichtetes Design ist das aber wichtig.“

Um die Mischung der fünf atomaren Bestandteile aufrechtzuerhalten, aber mehr strukturelle Ordnung in die Materialien zu bringen, wählte Dr. Satyakam Kar aus der Bochumer Arbeitsgruppe einen Saphir-Einkristall-Wafer als Basis, der extrem dünn mit Platin als Vermittler beschichtet war. „Dadurch lagern sich die auftreffenden Atome so an, dass sie die Kristallstruktur der Unterlage über mikrometergroße Bereiche fortsetzen“, erklärt Ludwig das sogenannte epitaktische Schichtwachstum. Es entsteht eine sehr gut definierte kristalline Oberfläche, die extrem glatt ist und damit höchstauflösende Untersuchungen ermöglicht. 

„Damit das funktioniert, muss der Sputterprozess bei hohen Temperaturen von 400 bis 600 Grad Celsius ablaufen, die Rate der ankommenden Atome darf weder zu hoch noch zu niedrig sein, und es muss die richtige Vermittlungsschicht zwischen Einkristall-Substrat und der eigentlichen Schicht gewählt werden“, erklärt Satyam Kar, der inzwischen als Juniorprofessor am Indian Institute of Technology Gandhinagar arbeitet.

Experimentierplattform unter Mikroskopen

Das Verfahren testete das Forschungsteam an einer Mischung aus Iridium, Palladium, Platin, Rhodium und Ruthenium. Die so hergestellten Schichten nutzten sie als Experimentierplattform: Bei mikroskopischen Untersuchungen konnten sie erkennen, dass die fünf Ausgangselemente sich trotz der guten strukturellen Ordnung sehr gut chemisch durchmischt abgelagert hatten. „Was wir auch sehen können, ist, dass sich beim Schichtwachstum zwei verschiedene Orientierungen bilden, zwischen denen es wiederum Grenzflächen gibt, aber sehr viel weniger und besser definiert als bei den Nanokristallen“, beschreibt Alfred Ludwig. Mittels einer winzigen Diamantspitze brachten die Forschenden auf dem Wafer Markierungen an, um sich bei weiteren mikroskopischen Untersuchungen daran orientieren und die verschiedenen Bereiche wiederfinden und miteinander vergleichen zu können. Nanoelektrochemische Analysen in der Gruppe von Prof. Dr. Corina Andronescu (Universität Duisburg-Essen) zeigten, dass eine der beiden Orientierungen elektrochemisch vorteilhaft war.

Weitere Untersuchungen in der Gruppe von Prof. Dr. Christina Scheu am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien führten zu der Erkenntnis, dass die epitaktischen Schichten eine interessante Defektstruktur aufweisen. So wachsen die Kristalle in einigen Bereichen perfekt so weiter, wie die Saphirunterlage es vorgibt. An anderen Stellen bilden sich aber Stapelstrukturen, die mikroskopisch als Querstreifen erkennbar sind. „Kommende Arbeiten werden zeigen, welche Bedeutung diese Defekte für die erwünschten Eigenschaften von Katalysatoren haben“, sagt Alfred Ludwig.