Ultradünnes Glas

  • 04. October 2013

Die zufällige Entdeckung der zweidimensionalen Glasschicht wird im Guinness Buch der Rekorde gewürdigt.

Sie ist nur eine Doppelmoleküllage dick, und könnte dünner nicht sein: die Glasschicht, die Wissenschaftler der Universität Ulm und der Cornell University zufällig entdeckt haben. Mit einem Eintrag ins Guinness Book 2014 wird diese Entdeckung nun als Weltrekord gewürdigt. "Obwohl Glas ja eigentlich transparent ist, kann man unter dem Elektronenmikroskop die einzelnen Silizium- und Sauerstoff-Atome sichtbar machen", erklärt Ute Kaiser. Die Professorin für Experimentelle Physik leitet die Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm. "Schritt für Schritt haben wir durch unsere Experimente und Überlegungen der Schichtnatur ihr Geheimnis abgerungen, das war unglaublich spannend."

Ulmer Physiker Prof. Dr. Ute Kaiser und Simon Kurasch

Abb.: Die Ulmer Physiker Prof. Dr. Ute Kaiser und Simon Kurasch am höchst-auflösenden Elektronenmikroskop. (Bild: Ossi Juhani Lehtinen)

Simon Kurasch, damals noch Doktorand bei Ute Kaiser an der Universität Ulm, untersuchte gerade am höchstauflösenden Transmissionselektronenmikroskop die Atomstruktur einer Graphen-Probe. Eigentlich war dies für den Physiker eine Routineuntersuchung. Doch bei genauerem Hinsehen entdeckt der Nachwuchsforscher eine bisher nie gesehene und völlig unerwartete Struktur: "Sie ist teilweise wunderbar geordnet, andererseits völlig chaotisch", beschreibt Kurasch diesen Zufallsfund. Auf dem Graphen hatte sich eine äußerst dünne Schicht aus einem unbekannten Stoff gebildet. Rückfragen beim Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, die das Graphen auf Kupferfolie in einem mit Quarzglas ausgekleideten Schmelzofen nach einem Standardverfahren hergestellt hatten, wecken ungläubiges Staunen. Das dortige Forscherteam um den Festkörper-Nanophysiker Jurgen Smet kann sich zunächst keinen Reim auf diesen Fund machen.

Die Ulmer Physikerin wendet sich an ihren Wissenschaftsfreund Prof. David Muller, Leiter des Kavli Institute for Nanoscale an der Cornell Universität (NY). Möglicherweise könnten die Kollegen höchstauflösende abbildende und spektroskopische Daten beisteuern und damit Licht in die chemische Beschaffenheit bringen. Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam wurde eingerichtet, bestehend aus den beiden Ulmer Wissenschaftlern sowie Muller und seiner Doktorandin Pinshane Huang, das nun einige Zeit gemeinsam an der Cornell University forschte. Bald schon deutete Muller die Ergebnisse als Silizium-Sauerstoff-Verbindung. Mit Hochdruck suchte man nach weiteren Indizien zur Klärung der genauen chemischen Zusammensetzung des mysteriösen Materials. Es zeigte sich: die ultradünne Schicht bestand aus Siliziumdioxid, also Glas. Dieses amorphe Material gibt mit seiner besonderen atomaren Struktur der Wissenschaft noch immer große Rätsel auf. So galt es für die internationale Physiker-Gruppe zu klären, in welcher molekülübergreifenden Konfiguration die Glasschicht vorlag.

Ute Kaiser suchte daher den Rat ihrer finnischen Fachkollegen. Arkady Krasheninnikov von der Alto Universität Helsinki, ein ausgewiesener Experte für die Berechnung der Stabilität von Atombindungen, konnte mit seinen Kollegen schließlich zeigen, dass das Siliziumdioxid in zwei Schichten, also einer so genannten Doppellage, die stabilst-mögliche Konfiguration eingeht. "So stellte sich aus der Gesamtheit der analytischen und theoretischen Daten, dass wir die denkbar dünnste Glasschicht gefunden hatten, die damit faktisch zweidimensional war", so das Team. Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler somit genaue Einblicke in die atomare Struktur dieses besonderen Materials gewinnen.

W.H. Zachariasen

Abb.: Die von W.H. Zachariasen 1932 postulierte Atomstruktur von Siliziumdioxid im Modell, im Hintergrund ist die Elektronenmikroskopische Aufnahme der tatsächlich gefundenen Atomstruktur zu sehen. Als dunkle Punkte sind die Siliziumatome zu erkennen. (Bild: U. Ulm)

"Betrachtet man die elektronenmikroskopischen Aufnahmen, sieht man eine Lage unregelmäßiger und unterschiedlicher Polygone. Das sieht aus, wie ein Flickenteppich meist aus Fünf-, Sechs-, Sieben- und Achtecken", erläutert die Ulmer Elektronenmikroskopie-Expertin Ute Kaiser. "Mit unseren Ergebnissen konnten wir erstaunlicherweise eine Theorie bestätigen, die bereits 1932 vom W.H. Zachariasen formuliert wurde". Mit der so genannten Netzwerkhypothese des norwegisch-amerikanischen Physikers zur atomaren Struktur des Glases wurde die Annahme aufgestellt, dass Glas in seiner atomaren Grundstruktur - bestehend aus SiO4-Tetraedern - kristallähnlich ist, nur dass diese Tetraeder sehr viel zufälliger miteinander verbunden sind als beim sehr regelmäßig organisierten Kristall, sodass die Anordnung sehr viel unregelmäßiger erscheint.

U Ulm / CT

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