Metaaloppervlak als atomaire schuifpuzzel

  Onderzoekers bij de Universiteit Leiden zijn erin geslaagd om de beweging waar te nemen van 'ontbrekende atomen' in het oppervlak van een metaalkristal. Hoewel naar schatting slechts één op de tien miljard atomen in het oppervlak ontbreekt, zetten dergelijke lege plekken het hele oppervlak al bij kamertemperatuur in beweging. Hiermee vormt het oppervlak van een vaste stof de kleinst denkbare schuifpuzzel. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het tijdschrift Nature van 7 december.

Iedereen kent ongetwijfeld de schuifpuzzel, een vierkant, gevuld met kleine tegeltjes, waarvan er één ontbreekt. Door telkens een van de naburige tegeltjes naar de lege plaats te schuiven, beweegt de lege plek door de puzzel en kunnen uiteindelijk alle tegeltjes op de juiste plaats worden gebracht. Op microscopische schaal komen ook in materialen, zoals metalen en halfgeleiders, lege plekken voor. In de roosterstructuur van het materiaal ontbreekt hier en daar een atoom. Deze 'foutjes' treden spontaan op, maar hun aantal is uiterst klein omdat het nogal veel energie kost om ze te laten ontstaan.

Lege plekken blijven aan oppervlak
In de allerbuitenste atoomlaag van een materiaal kost het meestal nog de minste energie om een lege plek te laten ontstaan. Daar worden er dus relatief veel verwacht. Deze lege plekken zullen er weinig voor 'voelen' om af te dalen naar de tweede atoomlaag of dieper. Als ze bewegen, doen ze dat vrijwel uitsluitend evenwijdig aan het oppervlak. De situatie in de buitenste atoomlaag van een materiaal lijkt daardoor sterk op die van de tweedimensionale schuifpuzzel.

Grotere atomen
In het Kamerlingh Onnes Laboratorium van de Universiteit Leiden is het onlangs voor het eerst gelukt om het schuifpuzzel-effect waar te nemen. Promovendus drs. Raoul van Gastel gebruikte voor zijn metingen een met geld van FOM en NWO gefinancierde rastertunnelmicroscoop. 

Hiermee kon hij het oppervlak van een koperkristal atoom voor atoom aftasten en in beeld brengen. Het lukte hem echter niet om de lege plekken direct te 'zien'. Het probleem is hierbij namelijk dat het aantal lege plekken schrikbarend laag is; naar schatting één op de tien miljard atomen ontbreekt. Bovendien werd ook al verwacht dat de lege plekken razendsnel kunnen bewegen - veel te snel om ze af te beelden met de rastertunnelmicroscoop. Van Gastel paste daarom een truc toe. Hij verving een klein aantal atomen in het koperoppervlak door een ander type atoom, namelijk indium. De indiumatomen zijn iets groter dan de koperatomen en steken daardoor boven hun koperburen uit. Verder gedragen ze zich bijna hetzelfde als gewone koperatomen.
Met de microscoop werden vervolgens filmpjes gemaakt van het oppervlak. De langs 'scherende' lege plekken lieten telkens een spoor achter van verplaatste atomen. De verplaatsingen van koperatomen konden niet worden herkend, omdat deze atomen er allemaal identiek uitzien. De verplaatsingen van de grotere indiumatomen vielen echter meteen op.

Gezamenlijke reuzensprongen
Figuur 1 laat drie opnamen zien uit een filmpje waarin de bewegingen duidelijk zichtbaar zijn. De fijne (rood gekleurde) bobbelstructuur is het rooster van koperatomen, terwijl elk van de vier (geel gekleurde) uitsteeksels een indiumatoom is, dat de plaats inneemt van een koperatoom. In het tweede plaatje bevinden de indiumatomen zich alle vier nog op precies dezelfde plaats als in het eerste plaatje, 140 seconden eerder. In het derde plaatje, 20 seconden later, zijn drie van de vier indiumatomen duidelijk verplaatst. Het bijzondere van de waargenomen verplaatsingen is dat de indiumatomen telkens reuzensprongen lijken te maken, die veel groter zijn dan de normale afstand tussen twee koperatomen. Bovendien verplaatsen naburige indiumatomen zich vaak gelijktijdig, zoals ook in de figuur te zien is.

Dit wonderlijke gedrag van gelijktijdige reuzensprongen wordt veroorzaakt door het schuifpuzzel-mechanisme. De koper- en indiumatomen kunnen zich alleen verplaatsen als er een lege plek beschikbaar is. Zolang deze er nog niet is, zitten de atomen vast. Elke langskomende lege plek voert een soort dronkemanswandel uit (zie figuur 2), waarbij de kans groot is dat een indium- of koperatoom meer dan één keer wordt verplaatst. Het gaat allemaal zo snel, dat de microscoop telkens alleen het eindresultaat ziet van alle verwisselingen van de lege plek met een indiumatoom: het atoom is dan meestal over een naar verhouding grote afstand verplaatst. 

Miniem aantal lege plekken bepaalt beweeglijkheid oppervlak
Het bijzondere gedrag van de waargenomen reuzensprongen wordt nauwkeurig beschreven door de schuifpuzzel-theorie die speciaal voor dit doel is opgesteld door dr. Ellak Somfai, die als postdoc in dienst van FOM verbonden is aan het Instituut-Lorentz in Leiden. Uit de vergelijking tussen theorie en experiment blijkt dat de lege plekken zich duidelijk aangetrokken voelen tot de indiumatomen, waarschijnlijk als gevolg van het kleine verschil in afmeting tussen de koperatomen en het iets grotere indium.

De grote verrassing van dit onderzoek is dat zo'n klein aantal lege plekken verantwoordelijk is voor zo'n hoge beweeglijkheid van de atomen in het oppervlak. De reden hiervoor is de enorme snelheid waarmee de lege plekken bewegen. Ze maken naar schatting honderd miljoen 'sprongen' per seconde.

Prijs
In september ontving drs. Raoul van Gastel naar aanleiding van het hier beschreven werk de ECOSS-Prize, voor het beste promotieonderzoek dat gepresenteerd werd bij de European Conference on Surface Science in Madrid.

Meer informatie: prof.dr. J.W.M. Frenken, hoofd van de onderzoeksgroep Grensvlakfysica in het Kamerlingh Onnes Laboratorium van de Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 56 03 (54 80 secr.).