Surface Science

Ulrike Diebold arbeitet im Schnittbereich von Physik und Chemie und hat sich weltweit einen Namen als führende Expertin für Oberflächen von Metalloxiden gemacht. Ihre Spezialität ist die Anwendung von Rastertunnelmikroskopie (scanning tunneling microscopy, STM) und Techniken der Oberflächenspektroskopie, um Oberflächenstrukturen und molekulare Prozesse von Metalloxiden bis auf die Ebene einzelner Atome zu beobachten, zu beschreiben und zu verstehen. Ihr wissenschaftlicher Erfolg setzt sich im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammen: die von ihr ausgewählten Systeme, ihre Fähigkeit, exakte und bahnbrechende Experimente durchzuführen, sowie die Gabe, ihre wissenschaftlichen Teams zu Topleistungen zu führen. Im Zentrum ihrer wissenschaftlichen Arbeit stehen oxidierte Materialien bzw. Werkstoffe. Das ist einerseits eine logische Entscheidung, oxidieren doch letzten Endes alle Metalle und Halbleiter in der Umwelt also studiert man deren Oxidverbindungen, wenn man an ihren Oberflächen interessiert ist. Andererseits haben diese Materialien eine faszinierende Bandbreite an physikalisch-chemischen Eigenschaften. Unter den Metalloxiden finden sich die besten Isolierstoffe genauso wie Supraleiter, einige eignen sich als besonders aktive Katalysatoren, andere sind als besonders korrosionsbeständige Materialien bekannt. Diese Vielseitigkeit, verbunden mit der Möglichkeit, ihre Eigenschaften zu beeinflussen, machen Metalloxide für eine Fülle technischer Einsatzbereiche hochinteressant. In so gut wie allen gegenwärtig verfügbaren und zukünftig vorstellbaren Anwendungen dieser Materialien Katalysatoren, Gassensoren, Batterien, Brennstoffzellen, neuartige elektronische Bauteile spielen Oberflächen und Schnittstellen eine zentrale Rolle. Folglich ist Forschung, die sich grundsätzlichen Fragen nach Oberflächeneigenschaften und Prozessen an Oberflächen widmet, nicht nur für die wissenschaftlichen Disziplinen per se von Interessen, sondern hat auch große Auswirkungen auf Themen des Umweltschutzes, der Energiegewinnung und -speicherung sowie auf weite Bereiche anderer technischer Anwendungen. Ulrike Diebold hat sich bereits als junges Faculty-Mitglied an der Tulane University in New Orleans in den 1990er-Jahren mit grundsätzlichen Fragen der Oberflächenphysik bei Metalloxiden beschäftigt. Damals galten Metalloxide zwar als interessantes Forschungsgebiet, wurden allerdings als zu komplex sowie als zu "messy" angesehen, um an ihnen sinnvolle Oberflächenforschung betreiben zu können. Ulrike Diebold hat als Erste gezeigt, dass man mittels Rastertunnelmikroskopie Materialdefekte auf einzelatomarer Ebene sichtbar machen kann und dass man chemische Reaktionen, die durch diese Fehler ausgelöst werden, Molekül für Molekül beobachten kann. Sie hat sich mit den weltweit besten theoretischen Gruppen zusammengetan, um ihre experimentell erzielten Ergebnisse zu modellieren, um daran anknüpfend ein besseres Verständnis zu entwickeln, wie chemische Reaktionen auf Oberflächen ablaufen. Sowohl ihre hoch-zitierten Review-Artikel, als auch ihre Originalarbeiten haben das gesamte Feld der Oberflächenphysik maßgeblich (mit-)gestaltet. Zukünftig will sich Ulrike Diebold und ihr Team darauf konzentieren, mittels neuer Methoden die Schnittstelle zwischen festen und flüssigen Phasen zu erforschen. Mithilfe des Wittgenstein-Preises wird sie ihre Anstrengungen intensivieren können, unter Verwendung eines elektrochemischen Rastertunnelmikroskops in neue Erkenntnisräume der Oberflächenphysik vorzudringen.

Mit dem 2013 verliehenen Wittgenstein-Preis und den damit verbundenen Projektgeldern wurde die experimentelle und methodische Ausstattung unserer Labors an der TU Wien ganz wesentlich ausgebaut. Unsere Arbeitsgruppe nimmt nun eine international führende Stellung in der Oberflächenphysik ein. In dieser Fachrichtung will man verstehen, wie sich Atome auf Oberflächen arrangieren, wie einzelne Moleküle an ihnen hängenbleiben und ihre Bindungen verändern, und wie dies durch geeignete Modifikationen gezielt beeinflusst werden kann. Dies ist nicht nur wissenschaftlich spannend, sondern auch für viele Anwendungen relevant. So nehmen etwa die in unserer Arbeitsgruppe hauptsächlich untersuchten Materialien, nämlich Oxide, eine ganz zentrale Rolle in Energieumwandlungsprozessen ein. Um Oberflächen noch genauer studieren zu können, wurde ein neuartiges Rasterkraftmikroskop angeschafft und für die Untersuchung von Oxiden adaptiert. Es gab einige Anfangsschwierigkeiten. So war es etwa notwendig, eine neuartige und mittlerweile patentierte Aufhängung der tonnenschweren Anlage zu erfinden, die präzise Experimente trotz der in einem Hochhaus vorhandenen Schwingungen zulässt. Dieses Mikroskop liefert Bilder mit einer nie dagewesenen Auflösung. In Zusammenarbeit mit theoretisch arbeitenden Gruppen haben diese experimentellen Ergebnisse zu einigen wissenschaftlichen Durchbrüchen geführt: die Manipulation von einzelnen Fehlstellen, die gezielte Platzierung von Elektronen auf einzelne Sauerstoffatome, oder die Bestimmung des Säuregrades von einzelnen Oberflächenatomen. Weiters wurden die experimentellen Voraussetzungen geschaffen, um unter hochgenauen Bedingungen den Einfluss von flüssigem Wasser auf Oberflächen untersuchen zu können. Der dabei erzeugte "wahrscheinlich sauberste Wassertropfen der Welt" hat internationales Aufsehen erregt. Erfreulich ist, dass diese wissenschaftlichen Ergebnisse als Grundlage für die erfolgreiche Einwerbung von weiteren Forschungsprojekten genutzt werden konnten, u.a. zwei ERC Grants, ein START-Preis, ein neuer SFB namens TACO und ein Elise-Richter-Stipendium. Noch erfreulicher ist, dass diese Entwicklungen dazu beigetragen haben, dass einige ehemalige Mitarbeiter mittlerweile ihre eigene, unabhängige akademische Laufbahn starten konnten.