Ruwheid beloond
Vandaag promoveerde aan de Rijksuniversiteit Leiden FOM-onderzoeker drs. Mischa Hoogeman op een onderzoek naar de ruwheid van oppervlakken op de schaal van afzonderlijke atomen. Dit onderzoek werd op 16 juni jongstleden in de Verenigde Staten bekroond met de prestigieuze Nottingham Prize. Deze prijs wordt jaarlijks toegekend voor het beste promotie-onderzoek in de oppervlaktefysica.
De uiterst nauwkeurige ruwheidsmetingen werden uitgevoerd bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica te Amsterdam. In een STM wordt het materiaaloppervlak afgetast met een scherp naaldje. De afstand tussen het uiterste naaldpuntje en het oppervlak bedraagt slechts enkele atoomdiameters. Als er een elektrische spanning wordt aangelegd, kunnen elektronen over deze kleine afstand als het ware overspringen (in het jargon heet dat tunnelen). De resulterende tunnelstroom is een gevoelige maat voor de afstand en wordt gebruikt om het 'reliëf' van het oppervlak atoom voor atoom af te tasten, zonder daarbij het oppervlak daadwerkelijk aan te raken. Dit reliëf wordt vervolgens als een geografische hoogtekaart of als een driedimensionaal landschap weergegeven op het beeldscherm van een computer.
Hoogeman ontwikkelde een speciale versie van de STM, waarmee het mogelijk is om een klein gebiedje op een metaaloppervlak 'in beeld' te houden over een groot temperatuurbereik van enkele honderden graden Celsius. De relatief grote uitzettingen die als gevolg van de temperatuur optreden in het bestudeerde stukje metaal en in de microscoop zelf, werken in Hoogemans STM grotendeels tegen elkaar in, zodat het naaldje steeds naar hetzelfde stukje oppervlak blijft 'kijken'.
Het idee dat materiaaloppervlakken bij hoge temperatuur spontaan ruw worden stamt al uit de jaren vijftig. Nauwkeurige theoretische voorspellingen van dit verschijnsel zijn al meer dan twintig jaar voorhanden. Het kost energie om op een vlak facet van een kristal de hoogte te laten verspringen met een atoomvlak. Toch treden dergelijke hoogtefoutjes altijd spontaan op, in de vorm van eilandjes en kuiltjes van bijvoorbeeld één atoomvlak hoog of diep. Naarmate de temperatuur hoger wordt, worden het aantal en de typische afmeting van deze eilandjes groter. Bij de zogeheten verruwingstemperatuur is dit effect zo sterk geworden dat er niet langer sprake is van een vlak facet met schoonheidsfoutjes: er valt geen facet meer te herkennen en het kristaloppervlak vertoont een grillige golfstructuur. In de STM-plaatjes die Hoogeman heeft gemeten op het oppervlak van een zilverkristal valt dit direct op. Bovendien blijkt dat de gemeten hoogtevariaties vrijwel precies de door de theorie voorspelde wiskundige vorm volgen. Gedetailleerde kennis van oppervlakteruwheid op atoomschaal is van belang voor een beter begrip van processen zoals kristalgroei en heterogene katalyse (versnelling van chemische reacties aan oppervlakken van vaste stoffen).
De Nottingham Prize wordt jaarlijks in de Verenigde Staten toegekend bij de Physical Electronics Conference. Dit jaar werd deze internationale conferentie gehouden bij de Pennsylvania State University. Hoogeman deelt de prijs met een onderzoeker van de Cornell University die er als eerste in is geslaagd om met een STM moleculaire trillingen waar te nemen.
Voor verdere informatie kan men contact opnemen met prof.dr. J.W.M. Frenken, telefoon (071) 527 56 03 of (020) 608 12 64.
Via Frenken is ook een STM-illustratie verkrijgbaar waarop is te zien hoe een stukje zilveroppervlak ruwer wordt naarmate de temperatuur stijgt.