Bij nanotechnologie knutselen wetenschappers op de kleinste schaal van atomen en moleculen. Je kunt op twee manieren op dat niveau komen: door een bestaand materiaal steeds verder te ontleden of vanaf nul iets proberen op te bouwen. Nanodraden maak je met de tweede manier. Door ze te laten groeien op een vruchtbare bodem, zoals een plantje doet in je tuin.

Nanodraden kunnen de efficiëntie van leds verhogen van 15% naar 50%.

Wikimedia commons

Wikimedia commons

Nanodraden kunnen de basis vormen voor snellere computers en efficiëntere ledlampen en zonnecellen. Maar om ze goed te kunnen gebruiken moet je wel controle hebben over hoe ze groeien. En dat is tegenwoordig juist vaak het probleem. Nanodraden groeien in verschillende vormen en op willekeurige plekken. Zo weet je nooit precies wat je krijgt, en is je materiaal dus nooit precies zoals je dat wilt.

Chemicus Rienk Algra van de Radboud Universiteit Nijmegen heeft samen met wetenschappers van TU Delft, Amolf, Philips Research Eindhoven en het Materials Innovation Institute (M2i) nu een techniek ontwikkeld waarmee je wél controle kunt krijgen over de groei. Met dezelfde lengte en dikte en op gelijke afstand van elkaar groeiden nanodraden van de halfgeleider indiumfosfide dankzij een gouden stempel. Hoe deden ze dat precies?

Hoe het was: wanorde en geen controle

Eerst eens kijken naar de traditionele manier waarop ze nanodraden maakten van indiumfosfide. Op een ondergrond van indiumfosfide – de groeibodem – wordt een dun goudfilmpje gelegd, wat op verschillende plekken samentrekt en goudbolletjes vormt. Vervolgens wordt de temperatuur naar 450 graden celcius opgevoerd en worden atomen van indiumfosfide in gasvorm in de ruimte gebracht. Daarna wordt dit gas in de goudbolletjes geïnjecteerd zodat ze een legering gaan vormen. Op een gegeven moment ontstaat er verzadiging: het indiumfosfide wil het bolletje uit. Als gevolg hiervan groeit de halfgeleider onder het gouddruppeltje tot een draadje van enkele nanometers: daar hebben we de nanodraad.

Ongeordende nanodraden van indiumfosfide. Duidelijk zichtbaar zijn de goudbolletjes bovenop de draden. Het schaalstreepje geeft, net als in alle volgende plaatjes, één micrometer aan.

Maar kijk eens naar dit plaatje. De draadjes zijn ongeordend en verschillend van lengte. Daar kun je weinig mee beginnen. Deze willekeur ontstaat doordat het dunne goudfilmpje niet overal even sterk samentrekt. De goudbolletjes zijn hierdoor niet allemaal even groot en liggen op willekeurige plekken verspreid.

Hoe het nu is: orde en controle

Rienk Algra en zijn collega´s deden een eerste stap naar perfectie met een techniek genaamd e-beam lithografie. Hierbij legden ze een laagje polymeer op de groeibodem. In dit polymeer werden hele kleine gaatjes – nanogaatjes – gemaakt, die werden opgevuld met goud. Dat leidde tot dit resultaat:

Nanodraadjes gemaakt met e-beam lithografie.

Perfect geordend, nietwaar? Maar daar betaal je dan ook voor. Deze techniek is erg duur en het kost erg veel tijd om de draden te maken. Bovendien kun je het patroon in het polymeer maar één keer gebruiken. Dat is niet handig voor als je grote hoeveelheden moet maken.

Philips bedacht hier iets op. Ze ontwikkelden een stempel die je met dezelfde techniek kunt maken. Met de stempel druk je een patroon in het polymeer. Hiermee kun je keer op keer het patroon op je groeibodem maken, zonder dat de stempel slijt. Kijk naar het resultaat:

Met de stempeltechniek ontstaan mooie draden, maar ook vervuilingen.

De stempeltechniek maakt minstens zo mooie draden als met de e-beam lithografie, alleen zie je hier ook een extra nadeel verschijnen: er treedt vervuiling op. Er kunnen bij het stempelen vuile deeltjes op de groeibodem blijven liggen en die zorgen ook voor draadgroei, maar wel hele vervelende.

Algra en zijn groep voegden daarom twee stappen aan het proces toe. Eerst dompelden ze het groeimateriaal onder in een etsmateriaal. Het merendeel van het ´vuile´ polymeer loste hierin op. De laatste restjes polymeer verdwenen bij de tweede stap: verhitting tot 700 graden celcius. In onderstaand plaatje zie je het resultaat: regelmatige draadjes over een groot oppervlak.

Het eindresultaat van de nieuwe stempeltechniek: de nanodraadjes zijn even lang, even dik en staan keurig in het gelid.

Naast indiumsulfide heeft de groep van Algra de methode ook met succes met galliumfosfide uitgeprobeerd. Maar ook voor materialen als silicium of zinkoxide – waar vaak nanodraden van gemaakt worden – zou de techniek toepasbaar moeten zijn, denkt Algra.