Schrijven met atomen met behulp van licht
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Katholieke Universiteit Nijmegen zijn erin geslaagd met behulp van een laser structuren van chroomatomen te schrijven. Ze maakten binnen een kwartier op een oppervlak van 1,5 bij 0,4 millimeter een patroon van ongeveer 7500 evenwijdige lijnen die 80 nanometer breed en 10 nanometer hoog zijn (een nanometer is een miljoenste millimeter). Het bijzondere aan de methode is dat het hele proces onder ultrahoog vacuüm uitgevoerd kan worden en de Nijmeegse opstelling is de eerste in de wereld die specifiek hierop is gericht. Hierdoor wordt het mogelijk heel fijne structuren te groeien die bovendien heel schoon zijn. Onderzoekers zijn alom geïnteresseerd in technieken om zeer kleine metaalstructuren te maken. Het is een van de manieren om de beperkingen te omzeilen die de huidige siliciumtechnologie stelt aan de kleinst mogelijke elektronische structuren op chips. Bovendien geeft de combinatie van heel klein en heel zuiver nieuwe mogelijkheden voor het typische onderzoek van de 21e eeuw: de nanofysica.
"Wat wij hebben gedaan kun je beschouwen als het bouwen van een soort omgekeerde camera," zegt prof.dr. Herman van Kempen "In een camera gebruik je materie - de lens - om licht te sturen. In ons apparaat gebruiken we licht om materie - de chroomatomen - te sturen. In standaard technieken in de chipsindustrie bundel je licht om maskers van structuren die je wil aanleggen, te projecteren. Wij hebben lichtgolven gebruikt om atomen zodanig te sturen dat ze direct op een oppervlak een structuur opbouwden. Als je dit soort technieken in het maken van chips wilt gebruiken, dan zullen die technieken onder industriële omstandigheden moeten werken. Daarom is het zo belangrijk dat onze opstelling voor ultrahoog vacuüm ontworpen is. Alleen dan kun je extreem schoon werken. Tot ons groot genoegen werkte de opstelling meteen de eerste keer al! Met onze opstelling willen we de groei en de eigenschappen van die metallische nanostructuren onderzoeken."
Atomen sturen met lichtgolven
Dat de opstelling meteen werkte, was helemaal niet zo vanzelfsprekend. Onderzoeker Erich Jurdik (FOM) en research-technici Albert van Etteger (KUN) en Jan Hermsen en Tonnie Toonen (beiden FOM) leggen graag uit welke technische hoogstandjes verricht moesten worden om tot hun succesvolle resultaat te komen.
Om met atomen te 'schrijven' moeten de onderzoekers die met zeer grote precisie kunnen manipuleren. De atomen komen uit de bron (een oventje) zoals water uit een tuinslang: zo'n beetje alle kanten uit. Eerst moet de snelheid van de atomen in de dwarsrichting sterk worden verlaagd om een mooie evenwijdige bundel te krijgen (zie boven in de figuur). Dat gebeurt met 'laserkoeling', een techniek die sinds een aantal jaren een grote opmars beleeft in de atoomfysica. De onderzoekers in Nijmegen hebben dan ook hulp gehad van collega's uit de vakgroep molecuul- en laserfysica (met name dr. Leo Meerts). De onderzoekers slaagden erin de uitwaaiering van de bundel te beperken tot minder dan 0,3 millirad (vergeleken met een tuinslang: een 10 meter lange waterstraal zou dan een spreiding hebben van 3 millimeter.)
Technisch lastig karwei
De volgende stap is het focusseren van deze nette, evenwijdige atoombundel. Dit gebeurt met lenzen gemaakt van licht. Daartoe maken de onderzoekers een staand golfpatroon van laserlicht. Dit licht moet een speciale golflengte hebben en wel vlak bij de absorptielijn van de chroomatomen, te weten 425,55292 nanometer (blauw licht). Alleen als het licht vlak bij deze absorptielijn zit, oefent het krachten uit op de atomen en kunnen die in 'bedwang' gehouden worden. Als die golflengte iets teveel afwijkt, gaat de controle over de atomen verloren. De onderzoekers wisten een stabiliteit in de golflengte te bereiken van beter dan 0,0000005 nanometer (in deze precisie zou op een spoorlijn rond de evenaar van 40.000 km lang een maximale lengtevariatie van 4 cm worden toegestaan). Het echte 'schrijven' van de atomen nu berust erop dat de onderzoekers de atomen in de pieken of in de dalen van de staande golf weten te dringen. Dat doen ze door de het laserlicht met 0,0002 nanometer naar boven of naar beneden in golflengte te laten veranderen. Zo'n kleine verschuiving zorgt voor een effectieve kracht naar een piek of een dal in het staande golfpatroon. Dit moet heel subtiel gebeuren; een mooie evenwijdig inkomende bundel is essentieel. Ook moet het staande-golfpatroon op precies de goede plaats zitten ten opzichte van de ondergrond (het substraat) waarop het patroon van atomen wordt aangebracht.
Dit is experimenteel allemaal al erg lastig, maar er moeten nog meer klippen omzeild worden. Trillingen in de opstelling bijvoorbeeld verstoorden de bundel in het begin voortdurend. Verwarming van het substraat waarop het patroon moet worden geschreven, zou ook roet in het eten kunnen gooien omdat het substraat door de thermische uitzetting als het ware onder het te schrijven patroon zou doorschuiven. Spiegels, prisma en substraathouder zijn dan ook als één optisch geheel gebouwd. Omdat dit allemaal in een ultrahoog vacuümsysteem moet, dient de opstelling zeer compact te zijn. In een ruimte met een doorsnede van tien centimeter vindt nu alles plaats: koelen en focusseren van de atomen en uitlijnen van het substraat.
Het werkt
Het bouwen van de opstelling was dan ook een lastig karwei, bepaald niet zo maar wat proberen, zegt mede-projectleider prof.dr. Theo Rasing. "Er zijn nog enkele groepen in de wereld die dit soort onderzoek doen, bijvoorbeeld bij het NIST in de Verenigde Staten. We hebben steeds goed gekeken welke moeilijkheden we konden verwachten en Erich heeft in Amerika zelfs voorbereidende metingen gedaan. Daarna hebben we voor elk probleem steeds gezocht naar de beste oplossing en stapje voor stapje aan ons systeem gewerkt." Klaar zijn de onderzoekers nog niet. Ze kunnen nu bijvoorbeeld pas achteraf zien hoe het geschreven patroon eruit ziet. Dat willen ze graag tijdens het schrijven al zien, zodat ze ook kunnen ingrijpen of het proces bijsturen.
Het belangrijkste is echter dat er nu voor het eerst zo'n ultrahoog vacuümopstelling staat. Daarmee kunnen de Nijmeegse natuurkundigen gaan onderzoeken hoe de metallische nanostructuren groeien, welke eigenschappen ze hebben en hoe ze die eigenschappen eventueel kunnen verbeteren. Atoomlithografie - het schrijven met atomen - is de enige contactvrije methode (dus geen maskers, geen chemicaliën) die het mogelijk maakt om nanostructuren op de nu gedemonstreerde parallelle schaal in een schone omgeving te maken.
Meer informatie bij prof.dr. Herman van Kempen, prof.dr. Theo Rasing of drs. Erich Jurdik, Katholieke Universiteit Nijmegen, telefoon: (024) 365 21 21.