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Forscher zeigen, wie Kristalle "polarer Katastrophe" entgehen

01.02.2018

Wird ein aus regelmäßig angeordneten positiv und negativ geladenen Teilchen bestehender Kristall entlang einer bestimmten Richtung gespalten, müsste sich an der Oberfläche die Situation ergeben, dass dort nur positive oder negative Atome verbleiben. Dadurch würde die Struktur aber sehr instabil, es droht die "polare Katastrophe". Wie das Material einer solchen entgeht, zeigten nun Wiener Physiker.

Die Festigkeit von Kristallen ist darauf zurückzuführen, dass sich positiv und negativ geladene Teilchen in einer bestimmten geometrischen Anordnung im Kristallgitter abwechseln. Die zwischen den unterschiedlich geladenen Atomen wirkenden Anziehungskräfte halten die dreidimensionale Struktur fest zusammen. Diese Logik hat an der Kristall-Oberfläche aber ein Ende.

Wie sich die Landungsverteilung dort darstellt, hängt von der Richtung ab, in der der Kristall geschnitten wird. Was sich dann dort abspielt, hat sich ein Team unter der Leitung von Wissenschaftern der Technischen Universität (TU) Wien mit hoch entwickelten Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen genau angesehen. Die Ergebnisse der Untersuchungen stellen die Physiker um Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU im Fachjournal "Science" vor, wie die Uni mitteilte.

Spannungen von Millionen Volt - Verhindern der polaren Katastrophe

Durch die geometrische Anordnung der verschieden geladenen Atome müsste man bei einem Schnitt in der richtigen Richtung "naiv betrachtet eigentlich ausschließlich positive oder ausschließlich negative Ladungen an der Oberfläche finden - doch so ein Zustand wäre hochgradig instabil", so Diebold. In einem theoretischen Kristall, der aus rein positiv und rein negativ geladenen Schichten besteht, würden sich Spannungen von Millionen Volt aufbauen. Um diese "polare Katastrophe" zu verhindern, müssen sich die Teilchen also umorganisieren. Wie das abläuft untersuchten die Forscher anhand von Kaliumtantalat. Dieses Kristall aus der Gruppe der Perovskite spielt beispielsweise in der Wasserstoffgewinnung eine wichtige Rolle.

In den Analysen zeigte sich, dass die Teilung nicht trennscharf zwischen zwei unterschiedlich geladenen Schichten erfolgt: Der Kristall bricht nämlich zwischen zwei positiv geladenen Schichten. Die dazwischen liegende negativ geladene Lage wechselt je zur Hälfte auf beide Seiten der Bruchlinie. Es bilden sich "negative Inseln", die auf beiden Seiten exakt die Hälfte der Oberfläche einnahmen und für elektrischen Ausgleich sorgen.

Die Inseln nehmen zuerst zufällige Formen an und bilden sozusagen Inselgruppen. Erhöhten die Forscher die Oberflächentemperatur, bildeten die Atome ein zackiges Muster aus geraden Linien. Am Ende beobachteten die Wissenschafter eine Oberflächenstruktur, die einem Labyrinth ähnlich ist. Dessen Mauern sind nur ein Atom hoch und vier bis fünf Atome breit. "Diese labyrinthartigen Strukturen haben technisch höchst vielversprechende Eigenschaften. Das ist genau das, was man will: Winzige Strukturen, in denen starke elektrische Felder auf atomarer Skala auftreten", so Diebold, deren Team nun über die Nutzung der erstaunlichen Strukturen etwa zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser nachdenkt.

Service: http://dx.doi.org/10.1126/science.aar2287

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