Elektronen in nanodraden lopen tussen de rails
Een groep natuurkundigen van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente heeft ontdekt dat de elektrische stroom in een rooster van extreem dunne platina nanodraden (elk met een doorsnede van één enkel atoom) zich heel anders gedraagt dan verwacht. De elektronen lopen namelijk niet door de draden zelf, zoals in een gewone stroomdraad, maar door de ruimte tussen de draden, zo ontdekten FOM-promovendus Arie van Houselt en zijn collega-promovendus Nuri Oncel. De resultaten van hun onderzoek verschijnen eind deze week in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters. Zij haalden met dit onderzoek ook de voorkant van Physical Review Letters.
Nanodraden zijn extreem dunne draden van een geleidend of halfgeleidend materiaal met een doorsnede van enkele nanometers (een nanometer is een miljoenste van een millimeter). Net als andere nanostructuren vertonen deze minuscule draden vaak exotische fysische eigenschappen. Dat komt doordat de natuurkundige processen op deze kleine schaal worden bepaald door de wetten van de quantummechanica.
Een beter begrip van de fysische eigenschappen van nanodraden is onder andere van belang voor het ontwerpen van toekomstige elektronische schakelingen met afmetingen in de orde van enkele nanometers. Vandaar dat de nanodraden bij voorkeur worden gedeponeerd op een oppervlak van halfgeleidend materiaal – het materiaal dat gebruikt wordt voor de fabricage van microchips.
Nanodraden ontstaan spontaan
Tot voor kort waren er twee gangbare methodes om nanodraden op oppervlakken te maken. In de eerste methode worden de atomen met behulp van een scanning tunneling microscoop één voor één op de gewenste positie gelegd. In de tweede methode groeien de atomen aan de reeds aanwezige atomaire stappen. De eerste methode is erg tijdrovend, en de tweede geeft inherent veel atomaire defecten.
Ongeveer anderhalf jaar geleden ontdekten de onderzoeksgroepen van hoogleraren Harold Zandvliet en Bene Poelsema van het MESA+ Instituut bij toeval dat nanodraden spontaan ontstaan als je een laag platina-atomen op een germaniumoppervlak verwarmt tot boven de 725 graden Celsius, en daarna weer afkoelt tot kamertemperatuur *) . Na de temperatuurbehandeling bleken de platina-atomen zich spontaan te ordenen in perfecte nanodraden met een doorsnede van één atoom, lengtes tot wel duizend atomen, en een onderlinge afstand van 1,6 nanometer (zie figuur 1). De nanodraden die op deze manier ontstaan zijn nagenoeg vrij van fouten en verontreinigingen, en hebben geen knikken.
Bijzondere geleiding van stroom "Normaal gesproken zou je verwachten dat het elektronentransport in de metallische gebieden plaatsvindt door de metallische nanodraden", zegt hoogleraar Zandvliet. Maar de nieuwe metingen met behulp van een hoge-resolutie scanning tunneling microscoop laten zien dat de elektronen zich tussen twee naast elkaar gelegen nanodraden bewegen (zie figuur 2). "Een totaal contra-intuïtief resultaat", aldus Zandvliet.
Schoolvoorbeeld
Ook ontdekten de onderzoekers dat de elektronen zich gedragen als een bekend theoretisch schoolvoorbeeld uit de quantummechanica, namelijk een quantummechanisch deeltje in een eendimensionale put. De nanodraden fungeren als een soort barrières voor de vrije elektronen. Ze zorgen ervoor dat de elektronen niet over het hele oppervlak kunnen bewegen (zoals in een tweedimensionale quantumtoestand), maar dwingen ze te bewegen langs een lijn (de eendimensionale quantumtoestand). De elektronen in deze quantumtoestand hebben specifieke energieniveaus, die bepaald worden door de afstand tussen de draden. De gemeten energieniveaus blijken perfect overeen te komen met het eenvoudige theoretische model van een quantummechanisch deeltje in een put.
De komende tijd gaan de onderzoekers de experimenten verfijnen door de platinadraden te bedekken met organische moleculen. Daarmee voorkomen ze dat er elektronen van het ene kanaaltje naar het andere lekken, en worden de elektronen dus nóg beter in hun eendimensionale toestand opgesloten. Op die manier hopen de onderzoekers allerlei theoretische voorspellingen over eendimensionaal elektronentransport nog beter te kunnen verifiëren.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr.ir. Harold Zandvliet, telefoon (053) 489 30 91.