Kristalstructuur bismut varieert
Dunne bismutfilms passen structuur aan onder invloed van geleidingselektronen
Het slecht geleidende half-metaal bismut neemt in de vorm van een dunne film heel andere kristalstructuren aan dan in bulk. Het blijkt dat zowel het aantal lagen als hun onderlinge afstand en structuur in bismut zich zó vormen dat er precies een staande golf van geleidingselektronen kan ontstaan. Dit ontdekten FOM-oio Tjeerd Bollmann en zijn collega's aan de Universiteit Twente toen zij ultradunne bismutfilms op nikkel groeiden. Hierdoor is een dunne film van bismut vermoedelijk een veel betere geleider dan het bulkkristal. De onderzoekers publiceren hun onverwachte resultaat vandaag (online) in Physical Review Letters.
De onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie deden onderzoek naar dunne films van lood op nikkel en van bismut op nikkel. De morfologie van een dunne film hangt af van verschillende factoren, waaronder de groeitemperatuur en de roosterconstantes van filmmateriaal en de ondergrond. Bij sommige metalen is daarnaast de golflengte van de geleidingselektronen (Fermi-elektronen) van invloed. Het belangrijkste voorbeeld daarvan is lood. Een dunne loodfilm groeit niet laag voor laag, maar met een oneven aantal lagen tegelijk. Filmdiktes met drie, vijf of zeven lagen zijn energetisch voordelig, omdat er precies een staande golf van de Fermi-elektronen in past.
De onderzoekers hebben dit fenomeen nu ook in dunne bismutfilms waargenomen. Dat bismut met een oneven aantal lagen tegelijk groeit was verrassend, omdat de Fermi-golflengte van bismut in bulk zo’n honderd maal hoger is dan van lood en dus ook vele malen groter dan de dikte van één of enkele atoomlagen in een film. Met een laag energetische elektronenmicroscoop konden zij bovendien zien dat de lagen in een dunne bismutfilm een wezenlijk andere kristalstructuur hebben dan het bulkkristal. Deze kristalstructuur is telkens in evenwicht met de laagafstand in de film en de Fermi-golflengte: het bismut past zijn structuur en daarmee de laagafstand zó aan dat de totale filmdikte (van drie of vijf lagen) gelijk is aan een aantal maal de Fermi-golflengte die hoort bij de betreffende structuur.
Bismut is op meerdere niveaus een ambigu materiaal. Een brokje bismut 'aarzelt' tussen een metaal en een halfgeleider en wordt daarom een 'half-metaal' genoemd. Nu blijkt dat bismut in dunne films zijn laagafstand, structuur en dichtheid aanpast aan het energetische voordeel vanwege staande Fermi-golven met een veel kleinere golflengte dan in bulk. De onderzoekers verwachten dat de gevonden structuren in de dunne bismutfilms vele malen beter geleiden dan gewoon bismut. Daarnaast zullen ook andere fysische en chemische eigenschappen van de nieuw gevonden kristalstructuren vermoedelijk verschillen van die in bulkbismut. Deze eigenschappen willen zij via gecontroleerde groei verder onderzoeken.
Contact
Bene Poelsema, (053) 489 30 60
Referentie
'Quantum size effect driven structure modifications of Bi films on Ni(111)'
Tjeerd R.J. Bollmann, Raoul van Gastel, Harold J.W. Zandvliet and Bene Poelsema
Physical Review Letters, 14 oktober 2011 (online 13 oktober 2011)