- Onderzoek
- 03/04/2015
Voorbij de plakbandmethode
Tweedimensionale materialen zijn hot. Denk aan het Nobelprijswinnende wondermateriaal grafeen, dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Maar volgens Ageeth Bol kun je met flinterdunne plakjes van andere materialen minstens zulke spannende dingen doen. De onderzoeker van Plasma & Materials Processing (Technische Natuurkunde) kreeg onlangs een ERC Consolidator Grant van twee miljoen euro om die droom te verwezenlijken.
Less is more. Die uitdrukking is bij uitstek van toepassing op tweedimensionale materialen. Maak een materiaal dat niet dikker is dan één of enkele atoomlagen en je krijgt er gratis allerlei spannende, nieuwe eigenschappen bij. Het beroemdste voorbeeld is grafeen, dat je kunt maken door met een stukje plakband een laagje koolstof los te trekken van een brokje grafiet (vooral bekend als grondstof voor potloden). Die ogenschijnlijk eenvoudige truc leverde de Russisch-Brits-Nederlandse Andre Geim samen met zijn collega Konstantin Novoselov in 2010 een Nobelprijs op. Grafeen blijkt veel sterker dan staal, en bovendien een uitzonderlijk goede geleider van stroom en warmte.
Ook Ageeth Bol werkte jarenlang aan grafeen, bij IBM Research in de Verenigde Staten. Zij heeft zich daar gespecialiseerd in het maken van ultradunne laagjes. “Tweedimensionale materialen gedragen zich heel anders dan gewone ‘bulk’-materialen”, legt ze uit. “Dat komt door zogenaamde quantum size-effecten. Hierdoor verandert de elektronische bandenstructuur van de materialen naarmate ze dunner worden. Dat geldt overigens net zo goed voor ééndimensionale materialen, zoals koolstofnanobuisjes, waar wij ook aan werken.”
Wie controle heeft over elektronische bandenstructuur, heeft goud in handen
De elektronische bandenstructuur is een theoretisch concept dat beschrijft hoeveel energie nodig is om een elektron ‘los te maken’ zodat het door het materiaal kan bewegen, en hoeveel weerstand zo’n elektron zal ondervinden bij die beweging. De bandenstructuur bepaalt daarmee de elektrische eigenschappen van een materiaal (of het goed stroom geleidt bijvoorbeeld), maar ook de optische eigenschappen (zoals de kleur en mate van transparantie). Wie controle heeft over de elektronische bandenstructuur van een materiaal, heeft dus goud in handen.
Het is echter lastig om bovengenoemde nanolaagjes op een betrouwbare manier te produceren. De plakbandmethode die de basis legde voor de huidige grafeengekte, blijkt wel tot op zekere hoogte ook bij andere materialen te werken, vertelt Bol. “Het materiaal moet daarvoor van nature in parallelle, zwak gehechte atoomlagen zijn opgebouwd, maar vaak lukt het dan wel om een laag los te krijgen die voldoende dun is om de bijbehorende bijzondere eigenschappen te bestuderen.” Maar wat voldoet voor wetenschappelijk onderzoek, is nog niet meteen een commercieel levensvatbare productiemethode; in een fabriek is trial and error niet goed genoeg.
Mede door Bols inspanningen bij IBM is om grafeen te maken inmiddels geen plakband meer nodig, maar voor andere materialen, zoals de zogeheten transitiemetaal-dichalcogeniden (TMD’s) waar zij nu haar pijlen op richt, bestaat er nog geen goede productiemethode. “Chemisch opdampen is een mogelijkheid, maar dat is eigenlijk niet nauwkeurig genoeg, en vindt bovendien plaats bij temperaturen van tot duizend graden.” Dat laatste betekent dat je met die methode geen structuren kunt aanbrengen op chips, want die kunnen niet tegen die hitte. En juist op chips zouden de magische eigenschappen van de nanolaagjes hun nut moeten bewijzen.
Bol is daarom van plan de technieken atoomlaagdepositie en plasmachemie te combineren. Atoomlaagdepositie werkt met zogeheten zelflimiterende processen, vertelt ze: zodra het grondoppervlak volledig is bedekt met een enkele laag moleculen, stopt de aangroei vanzelf. “Met deze methode kunnen we de atomen echt laag voor laag toevoegen”, aldus Bol.
Snelle plasmadeeltjes schoppen de atomen naar hun plek
Het resultaat wordt volgens haar plannen een laagje transitiemetaal-dichalcogenide (TMD). In eerste instantie gaat het om zwavel (een zogeheten chalcogeen, net als zuurstof, seleen en telluur) en molybdeen (later mogelijk andere transitie- of overgangsmetalen zoals wolfraam, titanium of hafnium). De zwavelbron wordt gevormd door een sulfideplasma: een ontlading in waterstofsulfide (bekend van de geur van rottende eieren). “Als het goed is, zorgt dat plasma er ook voor dat de atomen netjes in een regelmatig patroon komen te liggen. Door de snelle plasmadeeltjes worden ze als het ware naar hun plek geschopt.” In zekere zin ondervangt het plasma op die manier een nadeel van werken bij lage temperatuur: bij chemisch opdampen vindt die ordening namelijk plaats onder invloed van de thermische (warmte)bewegingen van de atomen.
Als dat allemaal goed gaat, hoopt Bol te kunnen experimenteren met het mengen van diverse overgangsmetalen; door andere elementen te kiezen en de verhouding tussen de verschillende atomen te variëren, kan ze dan op zoek gaan naar de optimale elektronische bandenstructuur. “Grafeen is fantastisch, maar het heeft geen bandgap: dat betekent dat je in grafeen geen stroom kunt schakelen met een spanning, zoals dat in halfgeleiders wel kan. Hierdoor lijkt grafeen niet geschikt om transistors mee te maken, de belangrijkste component van computerchips.”
De tweedimensionale TMD’s waar zij aan werkt, hebben naar verwachting wél de juiste eigenschappen om er superkleine en razendsnelle transistors mee te bouwen. En dat is alleen nog de praktische kant; theoretici voorspellen allerlei bijzondere kwantumeffecten die zouden optreden als men erin slaagt om twee verschillende lagen van de TMD’s op elkaar te plakken. “Dat wordt nog wel een grote uitdaging; het is al heel mooi als we een enkele laag goed onder de knie krijgen. Maar het uiteindelijke doel is wel degelijk om heterostructuren te vormen, waarbij we laagjes van verschillende TMD’s combineren.”
Bij Plasma & Materials Processing is veel kennis aanwezig van zowel atoomlaagdepositie als plasmachemie, vertelt Bol. “Dat was voor mij in 2011 een belangrijke reden om naar de TU/e te komen, net als de faciliteiten in de cleanroom. Bovendien wilde ik na jaren R&D-onderzoek heel graag mijn eigen pad kunnen uitstippelen, en minder afhankelijk zijn van beslissingen van hogerhand. Een project waarin ik geloof, zoals dit, wil ik ook kunnen afmaken.”
Ageeth Bol kan met de Consolidator Grant vanaf augustus drie promovendi en twee postdocs aanstellen. Ze is nog op zoek naar geschikte kandidaten.
Discussie