Maßgeschneiderte Materialien für Katalyse und Sensorik

Damit Materialien etwa in der Katalyse – also zur Beschleunigung chemischer Reaktionen – oder für den selektiven Nachweis von Gasen besonders effizient arbeiten, müssen sie auf atomarer Ebene präzise verändert werden. Eine zentrale Rolle spielen dabei die sogenannten aktiven Zentren: winzige Stellen auf der Oberfläche, an denen Reaktionen ablaufen oder Moleküle gezielt andocken können. Besonders leistungsfähig sind diese, wenn sie aus einzelnen Metallatomen bestehen – wie zum Beispiel aus Platin.

Ziel der aktuellen Studie war es daher, Materialien mit solchen aktiven Zentren herzustellen und zugleich deren atomare Struktur sichtbar zu machen.

Ein scharfer Blick ins Atomgitter

Als Trägermaterial nutzte das Forschungsteam Molybdändisulfid (MoS_₂), einen ultradünnen Halbleiter, der sich besonders gut modifizieren lässt. Um gezielt Platz für neue aktive Zentren zu schaffen, wurde die MoS_₂-Oberfläche durch Helium-Ionen-Beschuss mit mikroskopisch kleinen Defekten versehen – etwa Schwefellücken. Diese Lücken wurden anschließend gezielt mit einzelnen Platinatomen besetzt. Mit diesem kontrollierten Austausch von Atomen im Gitter, auch „Dotierung“ genannt, lassen sich Materialeigenschaften gezielt verändern.

Bisher fehlte jedoch der präzise Nachweis darüber, an welcher Stelle im Gitter die eingebauten Atome tatsächlich sitzen. Denn klassische Elektronenmikroskopie stößt hier aufgrund mangelnden Kontrasts an ihre Grenzen: Verschiedene Defekttypen – etwa einfache oder doppelte Schwefellücken – lassen sich kaum voneinander unterscheiden.

Deshalb setzte das Forschungsteam auf eine hochmoderne Bildgebungsmethode: die sogenannte Single-Sideband-Ptychographie (SSB), die auf der Auswertung von Elektronenbeugungsmustern basiert. Studienerstautor David Lamprecht, der die Forschung an der Universität Wien begann 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 zu machen – und eindeutig zu belegen, ob ein Platinatom tatsächlich in eine Lücke eingebaut wurde oder nur locker auf der Oberfläche sitzt.“

Unterstützt wurde die Bildgebung durch Computersimulationen, mit deren Hilfe die exakten Einbauorte – etwa an Schwefel- oder Molybdänstellen – identifiziert werden konnten. Ein entscheidender Schritt hin zu einem gezielten Materialdesign.

Zwei Anwendungen, ein Atom

Diese neue Methodenkombination eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für zwei zentrale Anwendungsbereiche: die Katalyse und die Gassensorik. Einzelne Platinatome an definierten Stellen können als hocheffiziente Katalysatoren wirken, zum Beispiel bei der umweltschonenden Erzeugung von Wasserstoff. Gleichzeitig lässt sich das Material so funktionalisieren, dass es gezielt auf bestimmte Gasmoleküle reagiert.

„Mit dieser Kontrolle über die Einbauorte können wir selektiv funktionalisierte Sensoren entwickeln – eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Methoden“, betont Jani Kotakoski, Letztautor und Forschungsgruppenleiter an der Fakultät für Physik der Universität Wien.

Perspektiven für die Materialentwicklung

Die in der Studie vorgestellte Methodik ist nicht auf Platin und MoS₂ beschränkt, sondern prinzipiell auf viele weitere Kombinationen aus zweidimensionalen Materialien und Dotieratomen übertragbar. Ziel ist es, diese Ansätze künftig weiterzuentwickeln – etwa durch eine noch feinere Steuerung der Defektbildung oder zusätzliche Nachbehandlungen.

Langfristig will das Forschungsteam funktionale Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften entwickeln, bei denen jedes einzelne Atom exakt am richtigen Platz sitzt.

Originalpublikation:
Lamprecht, D., Benzer, A., Längle, M., Capin, M., Mangler, C., Susi, T., Filipovic, L., & Kotakoski, J. (2025). Uncovering the atomic structure of substitutional platinum dopants in MoS_₂ with single-sideband ptychography. Nano Letters. DOI:10.1021/acs.nanolett.5c00919

 Quelle: Universität Wien