Golvende elektronen in koolstof nanobuisjes
Afbeeldingen van patronen van elektronengolven in koolstof nanobuisjes bevestigen belangrijke theoretische veronderstellingen over ééndimensionale geleiders. Dit rapporteren onderzoekers van het instituut DIMES van de Technische Universiteit Delft, de Stichting FOM en de Amerikaanse Rice University in het cover-artikel van Nature van 9 augustus aanstaande. Een koolstof nanobuisje is een langgerekt cilindervormig molecuul waarvan de wand is opgebouwd uit een netwerk van koolstofatomen. Fundamenteel onderzoek aan deze buisjes is interessant omdat zij dienen als modelsystemen voor ééndimensionale geleiders en in de toekomst als moleculaire elektronische schakelaars zouden kunnen worden gebruikt.
Elektronen zijn te beschouwen als deeltje of als golf. In het laatste geval geeft de amplitude (hoogte) van de golf de waarschijnlijkheid weer dat een elektron op een bepaalde positie te vinden is. Elektronengolven hebben net als normale golven een bepaalde bewegingsrichting en golflengte. In een heel kleine ruimte treedt tussen elektronengolven interferentie op, waardoor staande golven ontstaan.
Onderzoekers in de Delftse groep van prof.dr. Cees Dekker waren twee jaar geleden de eersten die ééndimensionale afbeeldingen van golffuncties in koolstof nanobuisjes wisten te maken. Diezelfde groep heeft nu een nieuwe wereldprimeur. Door verbeteringen van de meetapparatuur hebben dr. Serge Lemay (research fellow van de TUDelft), ir. Jorg Janssen (onderzoeker in opleiding bij FOM) en drs. Michiel van den Hout (afstudeerstudent van de Universiteit Utrecht) nu ook tweedimensionale afbeeldingen weten te maken. De groep in Delft werkt overigens nauw samen met de groep van Nobelprijswinnaar Richard Smalley aan de Rice University in Houston.
Uit de tweedimensionale afbeeldingen kunnen belangrijke elektronische eigenschappen van koolstof nanobuisjes worden bepaald. Dit is van groot belang voor de werking van moleculaire elektronische schakelaars die nu op papier bedacht worden.
Belangrijker dan deze primeur is echter dat nu voor het eerst het verband is gemeten tussen de golflengte en de energie van de elektronen in een koolstof nanobuisje. Dit verband blijkt lineair te zijn. Tot nu toe was dit lineaire verband slechts een veronderstelling, gebaseerd op theoretische berekeningen. Dat het nu experimenteel is aangetoond, is daarom goed nieuws voor de vele onderzoekers die met koolstof nanobuisjes werken.
Uit hun metingen hebben de onderzoekers bovendien voor het eerst nauwkeurig de Fermi-snelheid kunnen bepalen, een belangrijke fysische parameter. Dit is namelijk de snelheid waarmee de elektronen door de nanobuisjes bewegen.
De onderzoekers verrichtten hun metingen aan buisjes van koolstof die niet langer waren dan 40 nanometer (1 nanometer is een miljoenste millimeter). Zij gebruikten hiervoor een scanning tunneling microscoop (STM). Deze microscoop 'kijkt' met een naaldje dat eindigt in een scherpe punt van slechts één atoom. De naald kan met stapjes die kleiner zijn dan één atoom over het oppervlak bewegen.
Als de STM in vacuüm heel dicht over het oppervlak van het koolstof nanobuisje beweegt, kunnen elektronen van het buisje naar de naald overspringen en ontstaat een (uiterst zwak) stroompje. De grootte van de stroom volgt het golfpatroon van de interfererende elektronen.
Meer informatie bij:
ir. Jorg Janssen, (015) 278 39 50,jorg@qt.tn.tudelft.nl,
dr. Serge Lemay, (015) 278 32 19, lemay@mb.tn.tudelft.nl,
drs. Michiel van den Hout, (015) 278 60 91, hout@mb.tn.tudelft.nl of
prof.dr. Cees Dekker, (015) 278 60 94, dekker@mb.tn.tudelft.nl.
Zie ook http://www.mb.tn.tudelft.nl/.