Nieuwe techniek om geleiding te meten in gestapelde nanomaterialen
Leidse natuurkundigen hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om elektrische geleiding te visualiseren in materiaal van gestapelde individuele atoomlagen. Jaap Kautz en Johannes Jobst, die dit jaar de NeVacprijs ontvingen voor hun onderzoek, publiceerden in Nature’s Scientic Reports.
De fascinerende eigenschappen van grafeen — een enkele laag koolstofatomen — worden wereldwijd geroemd. Grafeen is een veelbelovende stof voor nieuwe toepassingen, zoals flexibele beeldschermen en zonnecellen. Maar wetenschappers zijn niet snel tevreden. De volgende generatie van grafeenachtige materialen dient zich alweer aan. Leidse natuurkundigen stapelen individuele atoomlagen als spekkoek op elkaar. Voor elke laag gebruiken ze koolstof (grafeen) of andere stoffen zoals boornitride of wolfraamdisulfide. Aangezien de lagen met elkaar interacteren via ‘Van der Waalskrachten’, worden ze simpelweg ‘Van der Waalsmaterialen’ genoemd.
Designermaterialen
Eerste auteurs Jaap Kautz en Johannes Jobst ontwerpen hun materialen laagje voor laagje, zodat ze in staat zijn om nieuwe eigenschappen in te programmeren en nieuwe natuurkundige gebieden te betreden. Er is grote interesse in het gebruik van zulke materialen voor onderzoek naar ladingstransport en elektronische toepassingen. Daarom is het belangrijk om te begrijpen wat de elektrische stroom bepaalt en limiteert in Van der Waalsmaterialen.
De nieuwe techniek: Low-energy electron potentiometry (LEEP)
De conventionele experimentele aanpak bestaat uit het sturen van een stroompje door matariaal en de weerstand te meten. Maar levert geen gedetailleerde informatie op over plekken waar de spanning anders is dan de rest. Variaties op kleine schaal kunnen een sterke invloed hebben op geleidende eigenschappen van het hele materiaal.
De onderzoekers, van de onderzoeksgroep van Sense Jan van der Molen, hebben daarom een nieuwe techniek ontworpen die visualiseert waar het voltage precies omlaag gaat: low-energy electron potentiometry (LEEP).
Hoe werkt het?
LEEP is gebaseerd op een microscopische techniek: low-energy electron microscopy (LEEM). Deze techniek gebruikt ‘langzame’ elektronen om een oppervlak heel nauwkeurig af te tasten.
De reflectiewaarschijnlijkheid van elektronen die je afvuurt op het materiaal hangt sterk af van de precieze energie waarmee ze op het oppervlak inslaan. Dit heeft te maken met een kwantummechanisch effect: als het inkomende elektron exact dezelfde energie heeft als een lege elektrontoestand in het Van der Waalsmateriaal, wordt hij niet gereflecteerd, maar juist geabsorbeerd.
De reflectiviteit blijkt zelfs zo gevoelig te zijn dat variaties in lokale spanning kunnen worden getedecteerd. Dat komt doordat de energie van een invallend elektron precies afhangt van de potentiaal op de betreffende plek.
Als de potentiaal negatief is, worden de elektronen afgeremd en vallen ze in met lagere energie. Als de potentiaal positief is, worden ze versneld. Dus als je een spanning aanlegt over een Van der Waalsmateriaal met twee elektrodes — zodat de potentiaal over het sample verandert met afstand — moet er variatie optreden in de lokale reflectiviteit.
Door nauwkeurig de reflectiviteit te meten op elke plek op het materiaal, kunnen onderzoekers de lokale potentiaal bepalen op de nanoschaal.
Nieuwe mogelijkheden
Het Leidse team heeft de veelbelovende nieuwe techniek nu gedemonstreerd op zo ongeveer het simpelst mogelijke Van der Waalsmateriaal. Kautz en Jobst hebben het toegepast op stapels van 1 tot 3 grafeenlagen. Hierdoor konden ze het verschil in geleidende eigenschappen bestuderen tussen enkel- en drievoudige grafeenlagen.
Ze verwachten dat een uitbreiding naar andere Van der Waalsmaterialen relatief simpel zal gaan. LEEP biedt ook de mogelijkheid tot het onderzoeken van dynamische effecten, bijvoorbeeld als functie van temperatuur, omdat het veel sneller is dan andere potentiometrische technieken. Dat schept mogelijkheden voor o.a. het bestuderen van ballistisch ladingstransport in grafeen. Dat vormt wellicht de basis voor een geheel nieuwe generatie van grafeenelektronica.
Jobst ontving onlangs een Veni-beurs om die mogelijkheid te onderzoeken.
Jaap Kautz en Johannes Jobst ontvingen dit jaar de NeVacprijs van de Nederlandse Vacuumvereniging voor hun onderzoek.
Met gebruik van LEEP meten de Leidse fysici de lokale geleidbaarheid in een sample door te kijken naar hoe de golven van veranderend contrast door het gezichtsveld bewegen. Deze video is onderdeel van de publicatie in Nature’s Scientific Report.