Je leest:

Elektronen op de rails

Elektronen op de rails

Natuurkundigen van het MESA+ Instituut (UT) hebben ontdekt dat elektronen niet ín, maar tússen extreem dunne platinadraden lopen. De resultaten verschenen in het vakblad Physical Review Letters.

Een groep natuurkundigen van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente heeft ontdekt dat de elektrische stroom in een rooster van extreem dunne platina nanodraden (elk met een doorsnede van één enkel atoom) zich heel anders gedraagt dan verwacht. De elektronen lopen namelijk niet door de draden zelf, zoals in een gewone stroomdraad, maar door de ruimte tussen de draden, zo ontdekten FOM-promovendus Arie van Houselt en zijn collega-promovendus Nuri Oncel. De resultaten van hun onderzoek verschenen in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters.

Nanodraden zijn extreem dunne draden van een geleidend of halfgeleidend materiaal met een doorsnede van enkele nanometers (een nanometer is een miljoenste van een millimeter). Net als andere nanostructuren vertonen deze minuscule draden vaak exotische fysische eigenschappen. Dat komt doordat de natuurkundige processen op deze kleine schaal worden bepaald door de wetten van de quantummechanica.

Een beter begrip van de fysische eigenschappen van nanodraden is onder andere van belang voor het ontwerpen van toekomstige elektronische schakelingen met afmetingen in de orde van enkele nanometers. Vandaar dat de nanodraden bij voorkeur worden gedeponeerd op een oppervlak van halfgeleidend materiaal – het materiaal dat gebruikt wordt voor de fabricage van microchips.

Figuur 1: Driedimensionaal beeld van een aantal regelmatige rijen platina-atomen (nanodraden) op een germanium (001)-oppervak. De opname is gemaakt met behulp van een scanning tunneling microscoop. De witte toppen corresponderen met platina-atomen, de rode toppen met germaniumatomen. De afstand tussen de platina nanodraden is 1,6 nanometer. bron: FOM

Nanodraden ontstaan spontaan

Tot voor kort waren er twee gangbare methodes om nanodraden op oppervlakken te maken. In de eerste methode worden de atomen met behulp van een scanning tunneling microscoop één voor één op de gewenste positie gelegd. In de tweede methode groeien de atomen aan de reeds aanwezige atomaire stappen. De eerste methode is erg tijdrovend, en de tweede geeft inherent veel atomaire defecten.

Ongeveer anderhalf jaar geleden ontdekten de onderzoeksgroepen van hoogleraren Harold Zandvliet en Bene Poelsema van het MESA+ Instituut bij toeval dat nanodraden spontaan ontstaan als je een laag platina-atomen op een germaniumoppervlak verwarmt tot boven de 725 graden Celsius, en daarna weer afkoelt tot kamertemperatuur*). Na de temperatuurbehandeling bleken de platina-atomen zich spontaan te ordenen in perfecte nanodraden met een doorsnede van één atoom, lengtes tot wel duizend atomen, en een onderlinge afstand van 1,6 nanometer (zie figuur 1). De nanodraden die op deze manier ontstaan zijn nagenoeg vrij van fouten en verontreinigingen, en hebben geen knikken.

Bijzondere geleiding van stroom

Door middel van nieuwe, uiterst nauwkeurige metingen, uitgevoerd bij lage temperaturen, hebben Nuri Oncel, Arie van Houselt en hun collega’s nu ontdekt dat de platina nanodraden op een heel bijzondere manier stroom geleiden. In een eerste serie metingen hadden de onderzoekers al gezien dat de gebieden waarop platina nanodraden gevormd worden, metallisch zijn. Gebieden waarop geen nanodraden voorkwamen gedroegen zich, zoals verwacht, halfgeleidend.

“Normaal gesproken zou je verwachten dat het elektronentransport in de metallische gebieden plaatsvindt door de metallische nanodraden”, zegt hoogleraar Zandvliet. Maar de nieuwe metingen met behulp van een hoge-resolutie scanning tunneling microscoop laten zien dat de elektronen zich tussen twee naast elkaar gelegen nanodraden bewegen (zie figuur 2). “Een totaal contra-intuïtief resultaat”, aldus Zandvliet.

Figuur 2: Figuur 2a (linksboven) toont eenzelfde opname als in figuur 1, maar dan van bovenaf gezien. Figuur 2b (rechtsboven) toont een opname van de elektronendichtheid op hetzelfde sample. In de figuur daaronder zijn deze twee opnames over elkaar heen gelegd. In dit driedimensionale beeld corresponderen de oranje toppen met platina-atomen en de paars-witte toppen met een hoge elektronendichtheid. In deze figuur is duidelijk te zien dat de elektronen zich bevinden in de gebieden tussen de platina nanodraden. bron: FOM Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Schoolvoorbeeld

Ook ontdekten de onderzoekers dat de elektronen zich gedragen als een bekend theoretisch schoolvoorbeeld uit de quantummechanica, namelijk een quantummechanisch deeltje in een eendimensionale put. De nanodraden fungeren als een soort barrières voor de vrije elektronen. Ze zorgen ervoor dat de elektronen niet over het hele oppervlak kunnen bewegen (zoals in een tweedimensionale quantumtoestand), maar dwingen ze te bewegen langs een lijn (de eendimensionale quantumtoestand). De elektronen in deze quantumtoestand hebben specifieke energieniveaus, die bepaald worden door de afstand tussen de draden. De gemeten energieniveaus blijken perfect overeen te komen met het eenvoudige theoretische model van een quantummechanisch deeltje in een put.

De komende tijd gaan de onderzoekers de experimenten verfijnen door de platinadraden te bedekken met organische moleculen. Daarmee voorkomen ze dat er elektronen van het ene kanaaltje naar het andere lekken, en worden de elektronen dus nóg beter in hun eendimensionale toestand opgesloten. Op die manier hopen de onderzoekers allerlei theoretische voorspellingen over eendimensionaal elektronentransport nog beter te controleren.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 september 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.