Je leest:

Superkristallen nanodraad groeit onder gouddruppel

Superkristallen nanodraad groeit onder gouddruppel

Ze zijn 10 tot 100 nanometer in doorsnede, micrometers lang, gemaakt van halfgeleidend indium-fosfide en ze hebben een zeer regelmatig verspringende kristalstructuur. Een team van de Radboud Universiteit Nijmegen en Philips Research is er als eerste in geslaagd deze bijzondere nanodraden te laten groeien. Ze zijn fundamenteel spectaculair genoeg voor publicatie in Nature en veelbelovend voor toepassing in optische chips en voor groene LED’s.

Nanodraadjes mogen zich op een warme belangstelling van de wetenschap verheugen. Ze zijn er inmiddels in verschillende soorten en maten en er wordt enthousiast gefilosofeerd over de mogelijke toepassingen. In een Nijmeegs-Eindhovens onderzoeksproject (Radboud Universiteit Nijmegen samen met Philips Research) werd een opmerkelijke vondst gedaan: door zink toe te voegen tijdens het kristallisatieproces van indium-fosfide (een III-V halfgeleider) ontstaat een andere kristalvorm dan tijdens normale groei. Hierdoor maakt het indium-fosfide steeds regelmatig geribbelde draadjes, en de dikte van de ribbels hangt samen met de dikte van de draad.

Nijmeegse nanodraadjes.

De eigenschappen van het materiaal hangen samen met de maat van deze ribbels, vertelt Rienk Algra, die op deze nanodraden hoopt te promoveren bij het Institute for Molecules and Materials (IMM) van de Radboud Universiteit. ‘We hebben dus een manier gevonden om deze eigenschappen heel precies te sturen. De kristallisatie vindt plaats rond een druppel goud. Kleine druppel: dun draadje, dunne ribbels. Grote druppel: dikker draadje, dikke ribbels. Maar steeds zijn het twins, perfecte spiegelingen van de kristalvorm.’

Spanning in een druppel

De twins ontstaan als volgt: op een groeimedium van indium-fosfide worden gouddruppels aangebracht. Dat trekt materiaal naar zich toe zodat juist onder die druppel een kristal gaat groeien. Aanvankelijk is dat hexagonaal – dat past redelijk goed op de ronde druppel. Maar het kristal wil zelf eigenlijk liever een driehoeksvorm aannemen en groeit bij elk nieuw laagje in het kristalrooster meer naar een driehoek toe.

Dat geeft letterlijk spanning, die verdwijnt als het kristal een halve slag verspringt. Na enige tijd wordt ook het gedraaide kristal weer driehoekig, en zal het kristal opnieuw draaien. Dit gebeurt met grote regelmaat.

Schematische weergave van het kristalgroeiproces van de nieuwe nanodraadjes. Beeld: Radboud Universiteit

‘Het leuke is dat we het ontdekt hebben én begrepen’, vindt Elias Vlieg, hoogleraar vaste stof chemie aan de Radboud Universiteit. ‘Lou-Fé Feiner, theoreticus bij Philips Research, heeft een model gemaakt dat verklaart wat we zien. Het past precies op onze meetgegevens. Het verklaart ook waarom er dikkere ribbels bij een grote gouddruppel ontstaan: er zit minder spanning in de grotere cirkel, dus het kristal kan langer doorgroeien voor het draait.’

Technologische mogelijkheden

Dankzij de regelmatige ribbelstructuur heeft het halfgeleidende indium-fosfide zeer interessante elektrothermische en opto-elektrische eigenschappen die in deze draadjes zeer precies te regelen zijn. Dat biedt reëel perspectief voor het ontwikkelen van toepassingen waarbij warmte direct in elektriciteit wordt omgezet en vice versa. ‘Een auto met een verbrandingsmotor maakt heel veel warmte die je hooguit voor je verwarming gebruikt. Met dit materiaal zou je van de warmte ook stroom kunnen maken. Ook voor een nieuw type koelkast is het geschikt.’ vertelt Vlieg. ‘Er wordt steeds vaker gedacht over computers die met licht in plaats van met stroom worden bestuurd. Met name de schakeling tussen licht en stroom die nodig zal zijn, stuit nog op problemen. Dit materiaal kan licht absorberen en stroom afgeven en biedt daarvoor dus een oplossing. Maar met deze kristallen kun je ook LED’s maken die rechtstreeks groen licht maken. En die ontbraken tot nu toe nog.’

Het onderzoek is onderdeel van het Materials innovation institute M2i researchprogramma dat uitgevoerd wordt juist met het oog op dergelijke toepassingen. Die zullen niet aan de Radboud Universiteit worden ontwikkeld, hier draait het om de fundamentele kennis. ‘Zoiets ontdekken én theoretisch begrijpen, mooier kan het niet worden,’ vindt Vlieg.

Close up van het kartelkristal. Beeld: Radboud Universiteit

Dit artikel is een publicatie van Radboud Universiteit Nijmegen.
© Radboud Universiteit Nijmegen, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 november 2008

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.