Orientierungsabhängige gemeinsame kristalline und amorphe Ordnung in einem einphasigen Festkörper

Wenn Ordnung und Unordnung nebeneinander existieren

Die meisten Materialien um uns herum lassen sich in zwei klare Kategorien einteilen: Kristalle, in denen Atome sich in sich wiederholenden Mustern anordnen wie Fliesen auf einem Boden, und Gläser, in denen Atome wie eingefrorene Flüssigkeit ungeordnet sind. Diese Studie zeigt etwas Überraschendes dazwischen: einen Festkörper, der in zwei Richtungen glasähnlich, in der dritten jedoch kristallin ist. Diese ungewöhnliche Mischung aus Ordnung und Unordnung könnte unsere Sicht auf alltägliche Materialien verändern — von Batterien bis hin zu Computerchips — und wie wir sie auf atomarer Ebene entwerfen.

Eine neue Art atomarer Puzzle-Teile

Kristalle zeichnen sich durch ihre langreichweitige Ordnung aus: Kennt man die Position weniger Atome, lassen sich viele weitere vorhersagen. Amorphe Materialien, wie Fensterglas, haben diese sich wiederholende Ordnung nicht, obwohl die Atome in engem Kontakt noch eine typische Abstandsstabilität zu ihren nächsten Nachbarn zeigen. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler darüber debattiert, wie man die „Zwischenzone“ mittlerer Reichweite beschreibt, in der sich Muster einige Atomabstände erstrecken, aber nicht ins Unendliche. Die Autoren dieses Papiers nehmen einen anderen Blickwinkel ein: statt zu fragen, ob ein ganzes Material geordnet oder ungeordnet ist, fragen sie, ob sich unterschiedliche Richtungen innerhalb desselben Festkörpers unterschiedlich verhalten können.

Geschichtete Röhren mit verborgenem Muster

Das Team stellte Dünnschichten aus winzigen Röhren mit Niob, Wolfram und Sauerstoff (Nb–W–O) mittels gepulster Laserdeposition her, einer Technik, bei der kurze Energieschübe auf ein keramisches Target geschossen werden, um Material auf einer Kristalloberfläche aufzubauen. Durch die Wahl eines gut bekannten kristallinen Basismaterials, Strontiumtitanat, das entlang verschiedener Flächen aufgeschnitten war, konnten sie steuern, wie die Nb–W–O-Röhren wuchsen. Elektronenmikroskopische Bilder zeigten, dass innerhalb jeder Röhre die Atome in einer einzelnen Schicht in der Ebene eine ungeordnete, glasartige Anordnung einnehmen. Blickt man jedoch in die senkrechte Richtung, zeigte sich, dass diese ungeordneten Schichten über Hunderte von Atomlagen hinweg in nahezu perfekten, regelmäßigen Abständen gestapelt sind: ein Kristall, der aus gläsernen Schichten aufgebaut ist.

Zufälligkeit aus nächster Nähe betrachten

Um zu prüfen, wie zufällig die Schichten wirklich sind, kombinierten die Forscher mehrere leistungsfähige Messmethoden. Hochauflösende Elektronenmikroskopiebilder zusammen mit ihren Fourier-Transformationen zeigten kein sich wiederholendes Muster in der Ebene jeder Schicht und bestätigten damit das Fehlen langreichweitiger Ordnung. Paarverteilungsfunktionen, die typische Abstände zwischen Atomen aufzeichnen, zeigten scharfe Peaks nur bei sehr kurzen Distanzen, was darauf hinweist, dass Atome weiterhin grundlegende Bausteine — oktaedrische Einheiten, in denen ein Metallatom von Sauerstoffatomen umgeben ist — bilden, während größere sich wiederholende Muster schnell verschwinden. Fortgeschrittene Röntgenabsorptionsmethoden bestätigten, dass Niob und Wolfram in diesen verzerrten Oktaedern sitzen, während chemische Karten zeigten, dass Niob- und Wolfram-Atome innerhalb der Schicht ohne regelmäßiges Muster gemischt sind.

Geschichtete Glasscheiben, die sich wie ein Kristall verhalten

Obwohl jede Schicht in ihrer Ebene strukturell ungeordnet ist, ist ihr vertikaler Stapel alles andere als zufällig. Dreidimensionale reziproke Raumkartierungen mit Synchrotron-Röntgenstrahlen, eine Methode, die Streumuster in eine Art Fingerabdruck atomarer Ordnung verwandelt, zeigten blattartige Merkmale, die zu Simulationen periodisch gestapelter amorpher Schichten passen. Je nachdem, wie das zugrundeliegende Strontiumtitanat ausgerichtet ist, wachsen die Röhren in einer, zwei oder drei bevorzugten Richtungen, doch in allen Fällen ist der Abstand zwischen den Schichten nahezu gleich und stark mit dem Gitterabstand des Substratkristalls verknüpft. Anders ausgedrückt wirkt der Basiskristall wie ein starres Lineal und zwingt die glasartigen Schichten dazu, sich entlang einer Hauptachse mit kristalliner Regelmäßigkeit aufzutürmen, obwohl sie seitlich ungeordnet bleiben.

Warum diese Grenzregion wichtig ist

Dieses ungewöhnliche Material zeigt, dass die übliche Trennlinie zwischen Kristall und Glas nicht nur davon abhängt, wie weit Ordnung reicht, sondern auch, in welche Richtungen man blickt. Innerhalb eines einzigen Festkörpers können Atome in zwei Dimensionen ein kontinuierliches zufälliges Netzwerk bilden und sich dennoch in der dritten Dimension in perfektem Rhythmus anordnen. Diese Erkenntnis eröffnet Wissenschaftlern ein neues Feld zum Einstellen von Eigenschaften: Man kann sich Materialien vorstellen, bei denen elektrische Leitfähigkeit, Ionenbewegung oder mechanische Festigkeit stark richtungsabhängig sind, weil Ordnung und Unordnung kontrolliert koexistieren. Über dieses spezielle Niob–Wolfram–Oxid hinaus bietet die Arbeit eine Plattform, um geschichtete zweidimensionale amorphe Materie zu erforschen und zu modellieren und so zu verfeinern, wie wir Festkörper beschreiben, messen und letztlich konstruieren, die zwischen den vertrauten Welten von Kristallen und Gläsern liegen.

Zitation: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

Schlüsselwörter: amorphe Materialien, kristalline Ordnung, Niob-Wolfram-Oxid, Dünnschicht-Nanoröhren, atomare Struktur