Perfecte nanodraden die spontaan ontstaan

Een team van natuurkundigen uit de onderzoeksgroep van hoogleraar Bene Poelsema van het MESA+ Insituut aan de Universiteit Twente is er in geslaagd op een halfgeleiderondergrond perfect geordende metallische nanodraden met een doorsnede van slechts 1 atoom en lengtes tot wel 1000 atomen te produceren. FOM-onderzoeker Oguzhan Gurlu, natuurkundestudent Omer Adam en UT-medewerker Harold Zandvliet ontdekten bij toeval dat platina-atomen die op een germanium (001)-oppervlak zijn aangebracht zich spontaan ordenen in ééndimensionale ketens na een temperatuurbehandeling van het oppervlak boven 725 graden Celsius. De ééndimensionale ketens zijn nagenoeg vrij van fouten in hun structuur en verontreinigingen, en hebben geen knikken. De draden vertonen bij kamertemperatuur duidelijk een metallisch karakter. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het decembernummer van het gerenommeerde vakblad Applied Physics Letters.

Nanodraden zijn extreem dunne draden met een diameter van slechts enkele nanometers (één nanometer is een miljoenste millimeter). Ze zijn bijzonder interessante objecten om te bestuderen, omdat ze in het algemeen exotische en fysisch aantrekkelijke verschijnselen vertonen, die van breder belang worden naarmate bijvoorbeeld structuren in de microelektronica steeds kleiner worden. Door het ééndimensionale karakter van de draden zullen hun fysische eigenschappen dan immers bepaald worden door de wetten van de quantummechanica.

Er zijn allerlei methoden om nanodraden te maken, maar aan de meeste daarvan kleven nadelen. Onlangs heeft bijvoorbeeld de onderzoeksgroep van Wilson Ho aan de Universiteit van California nanodraden van goudatomen met een lengte van maximaal 20 atomen op een nikkelaluminium (110)-oppervlak geproduceerd door de individuele goudatomen bij lage temperatuur één voor één naar de gewenste positie te verslepen. Deze methode is echter erg arbeidsintensief en dus tijdrovend.

De methode die de Twentse onderzoekers nu hebben ontwikkeld leidt tot een oppervlak dat voor een substantieel gedeelte uniform bedekt is met platina nanodraden met een diameter van slechts één atoom en lengtes tot zelfs 1000 atomen. Het unieke van deze nanodraden is dat ze zich op macroscopische schaal spontaan formeren (onder voorwaarde dat de juiste omstandigheden worden gekozen) en bovendien metallisch zijn, vrij van defecten en stabiel bij kamertemperatuur.

De afbeelding laat een opname gemaakt met een scanning tunneling microscoop zien van een germanium (001)-oppervlak dat gedeeltelijk bedekt is met platina nanodraden (200 nm bij 200 nm). Detailopnamen van het schone germaniumoppervlak en de platina nanodraden zijn te zien in de inzetten (a) en (b). Het metallische karakter van de nanodraden bleek uit scanning tunneling spectroscopiemetingen (bij kamertemperatuur). In inzet c) is de differentiële geleidbaarheid van het germaniumsubstraat en de platina nanodraden zichtbaar. Het germaniumoppervlak vertoont een (voor een halfgeleider zo karakteristieke) bandgap, terwijl de platina nanodraden elektrische stroom geleiden als in een gewoon metaal.

Om te onderzoeken of de platina nanodraden ook bij lage temperaturen metallisch blijven zullen de Twentse onderzoekers de afzonderlijke platina nanodraden bij lage temperaturen (tot -269 graden Celsius) bestuderen. De verwachting is namelijk dat sommige ééndimensionale metalen bij lage temperaturen halfgeleidend worden (dit verschijnsel staat bekend als Peierls instabiliteit). Dit is slechts één van de vele vragen die de onderzoekers voor dit systeem hopen te kunnen beantwoorden.

Meer informatie bij ir. Oguzhan Gurlu, telefoon (053) 489 30 91 of dr.ir. Harold Zandvliet, telefoon (053) 489 30 91.