Binnen het onderzoek naar de bouwstenen van de natuur, de nanotechnologie, kan het maken van zelforganiserende materialen op grote belangstelling rekenen. Dat komt omdat het maken van deze zichzelf rangschikkende structuren tegenwoordig steeds beter lukt, en omdat de keurig gerangschikte clusters van atomen een wereld aan exotische natuurkundige eigenschappen vertonen. Vooral de elektronische en magnetische eigenschappen van de nieuw gestructureerde materialen zijn bijzonder. Vaak is het een raadsel hoe het komt dat een bepaalde geometrische structuur of rangschikking van atomen bijvoorbeeld elektrische geleiding of halfgeleiding veroorzaakt.
Omdat het onderzoek naar moleculaire elektronica nog in de kinderschoenen staat, was Nuri Öncel (geboren 1978 te Konya, Turkije) enthousiast, toen hij in 2003 zijn onderzoek aan de Universiteit Twente kon beginnen bij de vakgroep vastestoffysica. Öncel: “Het uiteindelijke doel van onderzoek naar de elektrische eigenschappen van atomen en moleculen ligt in het vinden van methodes waarmee je halfgeleidende transistoren en elektrisch geleidende bedradingen kunt maken die aanzienlijk kleiner zijn dan de structuren die men tegenwoordig op chips kan maken.”
Welke methodes en materialen zijn geschikt om elektrisch geleidende bedradingen maken die zo klein zijn? Dankzij toegang tot een state of the art rastertunnelmicroscoop (RTM) aan de universiteit, kon Öncel deze vraag in zijn onderzoek praktisch benaderen. De microscoop zelf is een aaneenschakeling van glimmende metalen buizen. In de monsterkamer van de microscoop heerst een zeer hoog vacuüm en een temperatuur van een paar honderd graden onder nul. Vandaar dat de meeste ruimte van het instrument wordt ingenomen door vacuümpompen, gasflessen en koelinstrumenten. Het geheel heeft wel wat weg van een grote vrachtwagenmotor.
Atomen als heuvels
Öncel: “Het principe van een RTM is dat er een elektrisch geleidende naald waarvan de spits maar een atoom breed is, systematisch in een raster heen en weer wordt bewogen over de te meten oppervlakte. Tussen de spits van de naald en de atomen van het te meten oppervlak vindt een uitwisseling van elektronen plaats.” De uitwisseling wordt groter, legt Öncel uit, naarmate de atomen zich dichter bij de naald bevinden. Zo kan met de microscoop een soort ‘oppervlakteprofiel’ worden gemaakt, waarin de atomen één voor één als heuvels in een landschap oprijzen.
Öncel: “De totale hoeveelheid stroom die je meet, wordt bepaald door de aangelegde spanning op de tip van de elektrode, de afstand van de tip tot het oppervlak en de eigenschappen van het onderliggende substraat. Je hebt dan als het ware een tunnel waardoor elektronen kunnen stromen.”
Öncels onderzoek begon ermee dat hij met de RTM de elektronische eigenschappen van kleine metaalclusters onderzocht, die op een speciaal geprepareerde onderlaag van germanium waren gelegd. Op het germanium is slechts een enkele laag atomen naar het zelf-organiserende principe zo gestructureerd, dat ze perfecte rijen vormen. Öncel: “Aan de kleine metaalclusters hebben we isolerende moleculen aangebracht, zogeheten dendrimeermoleculen. Die moleculen hebben vertakkingen (dendros is Grieks voor boom), die, als ze goed gekozen zijn, zo’n herhalend patroon vormen, dat ze een soort tunnels vormen waar elektronen doorheen kunnen.”
Dunne metaaldraden
Na dit onderzoek ging het erom te onderzoeken wat er gebeurt als je probeert heel dunne geleidende draden op de onderlaag van germanium te realiseren. De draden zouden maar een atoom dik zijn. Öncel: “De vraag was, wat de elektronische en topografische eigenschappen van deze draden zou zijn als je ze van platina-atomen maakt, die zichzelf zo zouden organiseren, dat ze zeer zuivere, stabiele elektrisch geleidende draden van een atoom breed zouden vormen. Want als je dat soort draden kunt maken, dan heb je een soort printplaat in het klein.”
Het lukte inderdaad om met de microscoop de precieze eigenschappen van de draadjes van platina te beschrijven. Öncel: “We hadden geluk, we slaagden er inderdaad in om tot nu toe onbekende geleidingsen halfgeleidingseigenschappen van het platina bij verschillende temperaturen in kaart te brengen. Dat is een hele kunst, want de stabiliteit en reproduceerbaarheid van een zo dunne metaalelektrode vormt een groot probleem in het vakgebied van de moleculaire elektronica.”
Een van de opmerkelijkste resultaten was, dat je met minimale veranderingen in de positie van de platina-atomen de draadjes naar keuze elektrisch geleidend, of halfgeleidend kunt maken. De reden voor dat verschil in elektrische geleiding is nog niet precies duidelijk – het vermoeden is dat het samenhangt met hoe de kaarsrechte rijen platina-atomen zich aan elkaar en aan de atomen van het onderliggende Germanium binden. Maar het vooruitzicht om met draadjes van een enkele atoom een halfgeleider te kunnen maken, en daarmee schakelende transistoren, zoals die nodig zijn voor microprocessors, waren zo opzienbarend, dat de resultaten van Öncels onderzoek in 2005 met een grote foto de voorpagina haalden van het tijdschrift Physical Review Letters. Öncel: “Je ziet op die afbeelding de atomen van de platina draadjes een voor een zitten. Geweldig is dat!”
Inmiddels werkt Öncel als postdoc aan de universiteit van Princeton. Daar doet hij vergelijkbaar onderzoek, maar nu in een chemische vakgroep. Öncel: “Wat ik hier doe, is echte nanotechnologie. Het is niet alleen natuurkunde of chemie, maar werkelijk een combinatie van beide.” Hij wil absoluut verder gaan met zijn onderzoek. “Er zijn nog zoveel interessante raadsels in de wereld van de atomen, dat ik er alles voor over heb om daar verder onderzoek naar te mogen doen.”
Dit artikel werd eerder gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2008.