Natuurkundigen ontwikkelen techniek om ‘slimme’ materialen te doorgronden
Natuurkundigen van de Universiteit Leiden en Stichting FOM hebben een manier gevonden om de eigenschappen van 'slimme', door de mens ontworpen materialen beter te begrijpen. Hun methode onthult hoe op elkaar gestapelde laagjes in zo’n materiaal samenwerken om het geheel tot een hoger niveau te tillen. Groepsleider Sense Jan van der Molen en zijn onderzoeksteam publiceren hun resultaten vandaag, 26 November 2015, in Nature Communications.
Kunnen we slimme materialen ontwerpen met volkomen nieuwe eigenschappen? Een veelbelovende manier om dat te doen, is door extreem dunne laagjes van slechts één atoom dik te stapelen tot een driedimensionaal materiaal; een soort spekkoek. Interessant genoeg worden de eigenschappen van deze samengestelde materialen niet alleen bepaald door de eigenschappen van de individuele laagjes. Ook de wisselwerking tussen de laagjes speelt een grote rol. Daardoor kan zo’n gestapeld materiaal heel andere eigenschappen hebben dan je zou verwachten door simpelweg de afzonderlijke eigenschappen van de lagen te combineren; het geheel is dus meer dan de som der delen. Natuurkundigen van de Universiteit Leiden en FOM hebben nu een techniek ontwikkeld waarmee ze de wisselwerking tussen de materiaallagen kunnen meten.
Bandenstructuur
De elektronische eigenschappen van een materiaal, uitgedrukt in een zogenaamde bandenstructuur, bepalen hoe het materiaal zich gedraagt. De bandenstructuur zegt welke energie een elektron in het materiaal kan hebben en hoe deze energie afhangt van de snelheid van het elektron. Er zijn toegestane energieën (een ‘band’) en verboden energieën (een ‘band gap’). Een groot deel van deze bandenstructuur was voorheen moeilijk meetbaar. Eerste auteur Johannes Jobst en zijn collega’s brachten daar verandering in door een bijzondere microscoop te gebruiken en te verbeteren: een Lage-Energie Elektronen Microscoop (LEEM).
De microscoop vuurt elektronen met een bepaalde energie af op het te onderzoeken materiaal. De onderzoekers meten vervolgens hoeveel elektronen gereflecteerd worden voor verschillende energieën. Als een inkomend elektron een onbezette toestand in het materiaal treft, wordt het niet gereflecteerd. Maar als er geen toestanden zijn met de energie van het inkomende elektron, is de reflectie juist hoog. Zo kunnen de onderzoekers meten welke (onbezette) elektrontoestanden er in het gestapelde materiaal bestaan, en dus hoe de bandenstructuur eruit ziet.
Door dit te doen voor verschillende stapelingen van grafeen, wisten de onderzoekers te onthullen hoe de banden die bij de verschillende laagjes horen, gaan samenwerken. De methode heeft daarbij een 100.000 keer hogere ruimtelijke resolutie dan conventionele methoden. Dat is belangrijk, omdat de huidige gestapelde materialen een extreem klein oppervlak hebben (veel kleiner dan een vierkante millimeter).
Designer materials
Zodra wetenschappers de wisselwerking goed begrijpen, kunnen ze wellicht een volgende stap zetten: “We willen van tevoren bepaalde eigenschappen kunnen kiezen, en vervolgens de laagjes zo stapelen dat het gewenste materiaal ontstaat,” aldus Sense Jan van der Molen. “Zulke designer materials zijn het langetermijndoel.”
Zie ook
Artikel: Nanoscale measurements of unoccupied band dispersion in few-layer graphene, Nature Communications, 26 November 2015