Zelforganisatie van de natuur onder controle
Natuurkundigen uit Nederland, Spanje en de Verenigde Staten zijn erin geslaagd de structuur van een nanopatroon dat zich spontaan vormt wanneer één enkele laag galliumatomen op een ondergrond van silicium wordt aangebracht, te beheersen en voor het eerst ook op atomaire schaal theoretisch goed te beschrijven. Daarmee vullen ze een leemte in het modelleren van lijnstructuren op nanoschaal. Dit kan helpen bij het oplossen van problemen die zich bijvoorbeeld voordoen in het maken van zeer dunne lagen of draden en verbindingen voor microelektronica. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 14 september 2007 in Physical Review Letters.
Atomaire draden staan in de belangstelling vanwege hun afmetingen: een atoom is typisch niet veel groter dan 0,5 nanometer (een nanometer is een miljardste meter). Afhankelijk van hun eigenschappen zouden ze dienst kunnen doen als verbindingsdraadjes in toekomstige ultrakleine computerchips op atomaire of moleculaire schaal. Onderzoekers en technici kunnen zelf met een scanning tunneling microscoop atomen op een rijtje leggen, maar het is slimmer om atomaire draden te maken door de natuur zelf het werk te laten doen, via het principe dat zelf-organisatie genoemd wordt.
Natuurkundige Paul Snijders en collega's in Delft, Madrid en Tennessee hebben nu ontdekt hoe ze dat zelforganiserende proces kunnen sturen en theoretisch goed beschrijven. Ze werken met galliumatomen die ze in één atoomlaag laten neerslaan op een ondergrond van silicium. De galliumatomen ordenen zich daarbij spontaan in lange rijen (draden). In die rijen ontstaan spanningen die zich ontladen in de vorm van een open plaats in een rij; een zogeheten vacature. Ook die vacatures zijn aan zelforganisatie onderhevig. De lege plekken blijken zich te ordenen in licht meanderende lijnen die ongeveer 0,38 nanometer breed zijn en tot wel 50 nanometer lengte vrijwel perfect recht kunnen zijn. Dat patroon van open plekken zou mogelijk gebruikt kunnen worden als een soort mal om nanodraden van een ander element op te groeien. Of dat werkelijk kan, is de vraag. De wetten van de thermodynamica (en specifiek de entropie) zullen deze ordening immers tegenwerken. Vooral laagdimensionale systemen (bijvoorbeeld draden die zo dun zijn dat ze als twee- of zelfs ééndimensionaal beschouwd kunnen worden) blijken erg gevoelig voor entropie. De fluctuaties die daar het gevolg van zijn, leiden ertoe dat de vacaturelijnen niet perfect recht zijn, maar meanderen.
Wat Snijders en collega's nu hebben ontdekt is dat ze de gemiddelde afstand tussen de vacaturelijnen kunnen sturen met een precisie van beter dan 0,05 nanometer. Dat doen ze door de temperatuur van de galliumatomen die op het oppervlak aankomen, te variëren (ze passen zo de chemische potentiaal van de galliumatomen aan). Daardoor kunnen ze het evenwicht tussen de galliumatomen en de open posities verschuiven naar grotere of kleinere afstanden tussen de vacaturelijnen.
De bestaande wiskundige modellen die dit proces beschrijven, laten het bij dergelijk kleine afmetingen afweten. Ze voorspellen dingen die de onderzoekers niet zien, bijvoorbeeld dat het meanderen van de vacaturelijnen sterker wordt als ze gemiddeld verder uit elkaar liggen. De onderzoekers zien dat het meanderen constant blijft ook al wisselt de afstand tussen de vacaturelijnen. Snijders en collega's hebben nu een nieuwe theoretische benadering ontwikkeld die niet alleen het gedrag van de vacaturelijnen voorspelt, maar ook uitkomsten oplevert die overeenkomen met de waarnemingen. Hun theorie, een combinatie van berekeningen met dichtheidsfunctionaaltheorie en een op statistische mechanica gebaseerd model, blijkt het goed te doen. Deze nieuwe aanpak zou ook wel eens kunnen helpen bij vergelijkbare problemen in het groeien van zeer dunne lagen en in nano-onderzoek.
Meer informatie bij dr. Paul Snijders.
Referentie:
Het artikel "Controlled selforganisation of atom vacancies in monatomic gallium layers" verschijnt op 14 september 2007 in druk in Physical Review Letters; de auteurs zijn Paul Snijders1*, Eun Ju Moon2, Cesar González3, Sven Rogge1, Jose Ortega3, Fernando Flores3 en Hanno Weijtering2, 4.
1* FOM-onderzoeker bij het Kavli Institute of Nanoscience in Delft toen hij dit onderzoek deed; nu verbonden aan het Oak Ridge National Laboratory, Tennessee
1 Kavli Institute of Nanoscience in Delft
2 University of Tennessee in Knoxville
3 Universidad Autónoma, Madrid
4 University of Tennessee in Knoxville en Oak Ridge National Laboratory, Tennessee