Spiegels die pixel voor pixel schakelen
In 1995 ontdekten natuurkundigen van de Stichting FOM en de Vrije Universiteit in Amsterdam dat dunne metallische lagen van yttrium en lanthaan doorzichtig én elektrisch isolerend worden wanneer ze waterstof toegevoerd krijgen. Wordt het waterstof weggezogen, dan worden de lagen weer spiegelend en geleidend, zoals ze eerst waren. De onderzoekers hadden, volkomen onverwacht, een schakelbare spiegel ontdekt. In de Nature van 3 augustus 2000 doen onderzoekers uit dezelfde groep verslag van een nieuwe spectaculaire ontdekking. Wanneer de yttriumlagen een zodanige kristalstructuur hebben dat ze kunnen worden beschouwd als één kristal, gedragen ze zich alsof ze uit een groot aantal afzonderlijke spiegeltjes bestaan. Dit kan de weg wijzen naar displays met een groot aantal aanstuurbare pixels (beeldelementen).
In het voorjaar van 1996 publiceerde de FOM/VU-groep voor vaste-stoffysica in Nature de ontdekking van schakelbare spiegels. Foto's die het effect lieten zien, gingen de hele wereld over. Het feit dat deze schakelbare spiegels reversibel schakelen, dat wil zeggen dat het spiegelen naar believen ongedaan gemaakt en weer hersteld kan worden, is wetenschappelijk zeer intrigerend. Theoretici hebben nog steeds geen bevredigende verklaring kunnen vinden. Dat weerhield industriële onderzoekers er niet van met de ontdekking aan de slag te gaan. De materialen leken zeer interessant voor mogelijke toepassingen. Zowel bij Philips Research als bij Lawrence Livermore Laboratories in de Verenigde Staten zijn inmiddels schakelbare devices gefabriceerd (waarin het vereiste waterstof in een laagje in het device zit opgesloten) Een andere mogelijke toepassing is schakelbare spiegels te gebruiken in een display met vele aanstuurbare pixels.
Sommige gebiedjes spiegelen, andere niet
In het artikel in Nature beschrijven Jacob Kerssemakers, Sense Jan van der Molen (beiden FOM), Nico Koeman, Ramses Günther en Ronald Griessen (allen VU) het schakelgedrag van zogeheten epitaxiale yttriumfilms. Dit zijn dunne lagen die overal een en dezelfde perfecte kristallografische oriëntatie vertonen. De volledige film kan dus worden beschouwd als één kristal in plaats van een grote verzameling van kleine kristallen met verschillende oriëntaties (zoals de oorspronkelijke schakelbare spiegels). Wanneer een epitaxiale yttriumfilm met waterstof wordt gevuld, blijkt er spontaan een patroon van richels te ontstaan, als gevolg van de uitzetting van de film in het horizontale vlak. Deze richels weerspiegelen de zesvoudige symmetrie van het kristalrooster van yttrium (ze staan onderling onder hoeken van 60 graden) en vormen de grenzen van kleine (meestal driehoekige) gebiedjes in de laag (zie figuur 1).
De onderzoekers kunnen het schakelgedrag van een aantal van deze gebiedjes (in het jargon domeinen genoemd) volgen met een optische microscoop en een AFM (atomic force microscope; deze beeldt het reliëf van een oppervlak af). De combinatie van deze twee technieken is mogelijk, doordat de yttriumfilm niet alleen doorzichtig wordt, maar ook uitzet (hoger wordt) wanneer waterstof wordt toegevoegd. Dit wordt gedemonstreerd door het vergelijken van een foto in lichttransmissie (figuur 2) met een AFM-hoogtebeeld. Deze vertonen precies dezelfde domeinstructuur en tonen aan dat hoogte en doorzichtigheid in dit systeem gekoppeld zijn (figuur 3). Een epitaxiale film bezit dus een oppervlak dat lijkt op een driehoekige variant van Manhattan. Sommige 'wolkenkrabbers' (te beschouwen als afzonderlijke beeldelementen of pixels) zijn hoog en doorzichtig, andere laag en spiegelend.
Gebiedjes schakelen onafhankelijk van elkaar
Bij het toevoegen van waterstof aan de film treedt een verrassend effect op. Een domein blijkt vrijwel onafhankelijk van de buren heen en weer te kunnen schakelen (figuur 4). De richels vormen een scherpe begrenzing tussen geschakelde en ongeschakelde pixels. Ze vervullen kennelijk twee functies. Ten eerste houden ze transport van waterstof van de ene pixel naar de andere tegen. Ten tweede vangen ze alle mechanische spanning tussen twee naburige pixels op, waardoor de ene omhoog kan gaan zonder de andere mee te trekken.
Belangrijk voor toepassing: pixelgrootte te beheersen
Het schakelen van spontaan gevormde, individuele pixels is niet alleen wetenschappelijk interessant, maar ook technologisch van belang. Als de pixels elektrisch kunnen worden aangestuurd is een display-achtig device mogelijk (het waterstof beweegt onder invloed van een elektrisch veld). Daarnaast is de verticale uitzetting van de pixels zo groot (circa 10 %, veel meer dan voor piëzo-elementen) dat micromechanische toepassingen voor de hand liggen. Voor technologische toepasbaarheid is een goede beheersing van de pixelgrootte natuurlijk van belang. Die grootte blijkt ongeveer rechtevenredig toe te nemen met de dikte van de film. Dit is in overeenstemming met een (simpel) model dat een verband legt tussen de richels en de spanningsopbouw in de laag (zie figuur 1). Daardoor lijkt het beheersen van de pixelgrootte geen geweldig probleem.
Voor meer informatie: dr.ir J.W.J. Kerssemakers, telefoon (020) 444 79 24, met drs. S.J. van der Molen, telefoon (020) 444 79 25 of met prof.dr. Ronald Griessen, telefoon (020) 444 79 15.