Forschenden der Universität Wien und der TU Wien ist es gelungen, einzelne Platinatome präzise in ein ultradünnes Material einzubauen und dabei zum ersten Mal atomgenau zu bestimmen, welchen Platz sie im Gitter einnehmen. Ermöglicht wurde dieser Durchbruch durch eine neuartige Kombination von Methoden: Sie erzeugten gezielt Defekte im Trägermaterial, bauten die Platinatome kontrolliert ein und nutzten ein besonders kontrastreiches Elektronenbild-Verfahren namens „Ptychographie“. Diese Forschungsarbeit bietet neue Ansätze für die gezielte Modifikation von Materialien.
Damit Materialien in Anwendungen wie der Katalyse (der Beschleunigung chemischer Reaktionen) oder für den Nachweis bestimmter Gase ihre maximale Leistung entfalten können, müssen sie auf atomarer Ebene maßgeschneidert werden. Entscheidend hierfür sind sogenannte aktive Zentren: winzige Stellen auf der Materialoberfläche, an denen chemische Reaktionen stattfinden oder Gasmoleküle spezifisch andocken können. Besonders effektiv sind diese Zentren, wenn sie aus einzelnen Metallatomen – wie beispielsweise Platin – bestehen. Ziel der aktuellen Studie war es daher, solche Materialien herzustellen und gleichzeitig ihre atomare Struktur sichtbar zu machen.
Ein scharfer Blick ins Atomgitter
Die Forschenden nutzten Molybdändisulfid (MoS₂), einen ultradünnen und leicht modifizierbaren Halbleiter, als Trägermaterial. Um neue aktive Zentren zu schaffen, erzeugte das Team mittels Helium-Ionen-Beschuss winzige Defekte – sogenannte Schwefellücken – in der MoS₂-Oberfläche. Diesen Prozess nennt man „Defect-Engineering“. Anschließend wurden diese Lücken gezielt mit einzelnen Platinatomen besetzt. Dieser kontrollierte Austausch von Atomen im Gitter, auch „Dotierung“ genannt, ermöglicht es, die Eigenschaften von Materialien präzise zu verändern.
Bisher war es jedoch schwierig, die genaue Position dieser eingebrachten Fremdatome im Atomgitter präzise nachzuweisen. Die klassische Elektronenmikroskopie stößt hier an ihre Grenzen, da verschiedene Defekttypen, wie einfache oder doppelte Schwefellücken, aufgrund des geringen Kontrastes kaum zu unterscheiden sind. Um dieses Problem zu lösen, setzten die Wissenschaftler:innen auf die „Single-Sideband-Ptychographie“ (SSB). Diese hochmoderne Bildgebungsmethode basiert auf der detaillierten Auswertung von Elektronenbeugungsmustern und ermöglichte einen präzisen Blick in das Atomgitter. Studienerstautor David Lamprecht, der die Forschung an der Universität Wien begonnen und mittlerweile am Institut für Mikroelektronik der TU-Wien fortführt, erklärt: „Mit unserer Kombination aus Defect-Engineering, Dotierung und Ptychographie ist es uns gelungen, auch feine Unterschiede im Atomgitter sichtbar machen – und eindeutig zu belegen, ob ein Platinatom tatsächlich in eine Lücke eingebaut wurde oder nur locker auf der Oberfläche sitzt.“ Mithilfe von Computersimulationen konnten die verschiedenen Einbauorte (z. B. Schwefel- oder Molybdänstellen) exakt identifiziert werden – ein entscheidender Schritt für das gezielte Materialdesign.
Zwei Anwendungen, ein Atom
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Die Möglichkeit, einzelne Platinatome gezielt einzubauen und ihre genaue Position atomgenau abzubilden, eröffnet vielversprechende neue Wege in zwei wichtigen Zukunftsfeldern: der Katalyse und der Gassensorik. Einzelne Platinatome, die an präzise definierten Stellen im Material platziert sind, können als äußerst effiziente Katalysatoren dienen. Dies ist besonders relevant für umweltfreundliche Prozesse wie die Wasserstofferzeugung, wo sie chemische Reaktionen beschleunigen und optimieren können.
Gleichzeitig lässt sich das Material so maßschneidern, dass es spezifisch auf bestimmte Gasmoleküle reagiert. Jani Kotakoski, Letztautor und Forschungsgruppenleiter an der Fakultät für Physik der Universität Wien, betont: „Mit dieser Kontrolle über die Einbauorte können wir selektiv funktionalisierte Sensoren entwickeln – eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Methoden.“ Dies bedeutet, dass zukünftig Sensoren hergestellt werden könnten, die hochpräzise nur auf die Gase reagieren, für die sie bestimmt sind, was die Effizienz und Zuverlässigkeit in der Gassensorik erheblich steigert.
Bausteine für funktionale Materialien
Die entwickelte Methodenkombination ist nicht auf Platin und Molybdändisulfid (MoS₂) beschränkt; sie lässt sich grundsätzlich auf eine Vielzahl weiterer Kombinationen aus 2D-Materialien und Dotieratomen anwenden. Zukünftig soll dieser Ansatz weiter verfeinert werden, beispielsweise durch eine präzisere Steuerung der Defektbildung oder zusätzliche Nachbehandlungen. Das übergeordnete Ziel ist die Entwicklung funktionaler Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften, bei denen jedes einzelne Atom exakt an der vorgesehenen Stelle sitzt.
Mitte: Mithilfe von Helium-Ionen werden einzelne Atome aus dem Material entfernt.
Rechts: Die Lücken werden anschließend mit Platinatomen gefüllt. Die eingebauten Atome interagieren stark mit Gasen aus der Umgebung zB. Wassergas.
© David Lamprecht / Uni Wien
Quelle: Technische Universität Wien (06/2025)
Publikation:
Uncovering the atomic structure ofsubstitutional platinum dopants in MoS2 with single-sideband ptychography. David Lamprecht, Anna Benzer, Manuel Längle, Mate Capin, Clemens Mangler, Toma Susi, Lado Filipovic, and Jani Kotakoski. In Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c00919