'Onmogelijke' toestand schakelbare spiegels verklaard

In 1995 ontdekte de groep van Ronald Griessen aan de Vrije Universiteit de schakelbare spiegel. Dunne films van yttrium en lanthaan veranderen van spiegelend naar transparant wanneer ze in contact komen met waterstofgas (H₂). De lagen worden weer spiegelend wanneer het waterstofgas wordt weggepompt. De optische eigenschappen én de elektrische weerstand veranderen spectaculair gedurende het contact met het waterstofgas. Dit proces staat bekend als een metaal-isolatorovergang.

'Zwarte' toestand
In 2001 vonden andere onderzoekers dat ook een verbinding van magnesium en nikkel (Mg₂Ni) van spiegelend naar transparant schakelt als deze verbinding wordt blootgesteld aan waterstofgas. Naast deze twee toestanden vonden ze echter nog een derde optische toestand, die al optreedt wanneer een relatief kleine hoeveelheid waterstof door de dunne Mg₂Ni-film is opgenomen. In deze 'zwarte' toestand reflecteert de film nauwelijks licht en laat geen licht door. De film absorbeert driekwart van het inkomende licht en ziet er daarom zwart uit. Dit gedrag intrigeert natuurkundigen: de optisch zwarte film is nog steeds een goede elektrische geleider terwijl een geleider spiegelend hoort te zijn. De andere moeilijkheid is dat voor een homogene film zo'n hoge absorptie in theorie niet samengaat met de waargenomen lage reflectie. Als men ervan uit gaat dat de film homogeen is, is de combinatie van optische en elektrische eigenschappen fysisch onmogelijk. Waarom vertonen deze films dergelijke ongewone eigenschappen, zo vroegen de Amsterdammers in de groep van Griessen zich af.

Twee lagen
Na het maken van de dunne films (die typisch 100 tot 200 nanometer dik zijn) op een doorzichtig substraat van glas, kwarts of saffier, stelden de onderzoekers de films bloot aan waterstofgas. Ze volgden met optische en elektrische methoden wat er gebeurde. In de films van Mg₂Ni ontstaan tegen elke verwachting in spontaan twee lagen. Dichtbij het grensvlak tussen substraat en film ontstaat een laag van ongeveer dertig nanometer dik met een hoge concentratie waterstof. De rest van het preparaat neemt nauwelijks waterstof op. Dit is bijzonder omdat onderzoekers voor een dunne film verwachten dat de waterstof gelijkmatig of vanaf de bovenkant het materiaal in gaat. De dunne, waterstofrijke laag bestaat uit een mengsel van nanodeeltjes metallisch Mg₂Ni (spiegelende deeltjes) en isolerend Mg₂NiH₄ (transparante deeltjes). Van een dergelijk mengsel bestaande uit deeltjes van metallisch en isolerend materiaal is bekend dat het licht sterk kan absorberen.

FOM-postdoc Wiebke Lohstroh ontdekte de spontane vorming van een dubbellaag, toen zij het preparaat van twee zijden bekeek, van zowel de filmzijde als van de substraatzijde. Zonder waterstofgas reflecteren beide zijden (spiegels). Als zij het preparaat blootstelde aan waterstofgas, bleef de Mg₂Ni-zijde spiegelend terwijl de substraatzijde zwart werd. Het is de vorming van een dubbellaag tijdens het opnemen van waterstofgas en de verschillende optische eigenschappen van deze lagen die het optreden van de zwarte toestand, waarin Mg₂NiH_x bijna al het inkomende licht absorbeert, verklaart. Als het preparaat meer waterstof opneemt groeit de waterstofrijke laag totdat de gehele film verzadigd is. De groei van deze laag is dusdanig regelmatig dat er ook prachtige verschijnselen van interferentie optreden.

Toepassing
De zwarte toestand treedt ook op in andere legeringen met magnesium. De wijze waarop het materiaal gemaakt wordt en het substraat waarop de film aangebracht wordt, hebben nauwelijks invloed op het optische gedrag. De overgang van spiegelend naar zwart-absorberend biedt interessante mogelijkheden voor toepassing in zonnecollectoren, achteruitkijkspiegels in auto's en optische waterstofsensoren.

Meer informatie: prof.dr. Ronald Griessen, tel.: (020) 444 79 15 of dr. Wiebke Lohstroh, tel.: (020) 444 79 25.