Abrupt ontsnappen aan platheid
Snelle overgang van pannenkoek naar half bolletje
Persbericht van de Universiteit Twente
Op het eerste gezicht lijken miljarden loodatomen op mysterieuze wijze te verdwijnen. Een laagje lood, aangebracht op nikkel, is van het ene op het andere moment bijna niet meer te zien als de temperatuur stijgt. In werkelijkheid vormen de atomen bij een kleine verstoring opeens een compact half bolletje in plaats van een 'platte pannenkoek'. Onderzoekers van de Stichting FOM en het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie (UT) laten dit opmerkelijke verschijnsel voor het eerst zien en publiceren erover in Physical Review Letters.
Lood, aangebracht op nikkel, kan dankzij zijn bijzondere elektronische eigenschappen platte 'pannenkoeken' vormen, bestaande uit miljarden atomen in een kristalstructuur. Deze 'pannenkoeken' zijn quantummechanisch gestabiliseerd en ze zijn slechts enkele tientallen atoomlagen hoog: het is lood in vaste vorm. Bij het langzaam verhogen van de temperatuur verandert er aanvankelijk nog niet veel. Totdat bij een bepaalde temperatuur, rond de 520 Kelvin (247 graden Celsius) het hele laagje lood plotseling lijkt te verdwijnen. Binnen enkele milliseconden is de 'plak' lood veranderd in een half bolletje met een straal – hoogte – van enkele micrometers. En dat alles bij een temperatuur die ónder de smelttemperatuur van lood ligt. Ook het bolletje is vast materiaal. De massa is dus niet verdwenen, maar heeft een andere ruimtelijke vorm aangenomen.
Lage energie elektronenmicroscoop
De onderzoekers kunnen dit zien dankzij de techniek Low Energy Electron Microscopy. Van deze instrumenten is slechts een beperkt aantal in de wereld voorhanden, waarvan sinds kort twee in Nederland. Het is een microscoop waarin elektronen met lage energie op het oppervlak worden geschoten. Juist oppervlakteverschijnselen en gebeurtenissen in dunne films zijn daardoor nauwkeurig waar te nemen.
Huidige kennis niet toereikend
De abrupte omzetting van plat naar bolvormig is te verklaren door te kijken naar de energetisch meest gunstige vorm: een half bolletje is dan de meest effectieve benutting van oppervlak, een pannenkoek is niet erg stabiel. Maar om de snelheid, waarmee de overgang plaats vindt, te verklaren, schiet de huidige kennis tekort. Dit ondanks het feit dat er dankzij experimentele technieken als Scanning Tunneling Microscopy (STM), in combinatie met nieuw ontwikkelde theorie, recent enorm veel bekend is geworden over atomaire processen tot op het niveau van een enkel atoom.
Groepsproces
De nu ontdekte supersnelle overgang van twee naar drie dimensies is echter gebaseerd op een delicaat spel tussen meerdere atomen, een soort groepsproces. Om de zeer snelle overgang van plat naar bolvormig in meer detail te kunnen verklaren is meer fundamentele theoretische kennis op meso-niveau nodig, bevelen de UT-onderzoekers aan in hun publicatie. LEEM-microscopie, waarmee direct nieuwe verschijnselen op meso schaal waargenomen kunnen worden, kan hiervoor cruciale informatie leveren. De resultaten zijn van belang voor het verdiepen van het inzicht in de stabiliteit van nanostructuren.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Physics of Interfaces and Nanomaterials van prof. Harold Zandvliet en gefinancierd door de Stichting FOM. De groep maakt deel uit van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT. De gebruikte LEEM-microscoop is aangeschaft met middelen van de Technologiestichting STW.
Het artikel 'Anomalous decay of electronically stabilized lead mesas on Ni(111)' van Tjeerd Bollmann, Raoul van Gastel, Harold Zandvliet en Bene Poelsema, is op 23 september online verschenen in Physical Review Letters. In september zal Tjeerd Bollmann op het proefschrift 'Escape from flatland' promoveren bij de hoogleraren Bene Poelsema (UT) en Joost Frenken (LEI).