Honingraatstructuur van nanokristallen biedt het beste van twee werelden
Een onderzoeksteam onder leiding van FOM-programmaleider prof.dr. Daniel Vanmaekelbergh heeft ontdekt hoe een nieuw materiaal met aantrekkelijke elektronische eigenschappen gevormd wordt. Het is mogelijk om de eigenschappen tijdens het vormingsproces te sturen. Het nieuwe materiaal combineert de variabele eigenschappen van halfgeleider nanokristallen met de bijzondere effecten die plaatsvinden in materialen met een honingraatstructuur, zoals grafeen. Mogelijke toepassingen zijn ultrasnelle elektronica en gebruik in een quantumcomputer. De resultaten van het onderzoek verschenen op 29 mei 2014 in Science.
In de publicatie beschrijven de onderzoekers hun uitvoerige experimentele studie van het nieuwe materiaal. "Door een uitzonderlijk brede combinatie van analysetechnieken, kennen we nu de structuur op zowel de atomaire als de nanometerschaal", licht FOM-promovendus Mark Boneschanscher toe. Op basis hiervan konden de onderzoekers vervolgens het mechanisme afleiden waardoor de nanokristallen de honingraatstructuur vormen. "Hierdoor kunnen we de vorming van het nieuwe materiaal sturen, zodat we precies de gewenste eigenschappen krijgen."
Kunstmatige atomen
Nanokristallen kunnen worden gezien als kunstmatige atomen. Onderzoekers kunnen met de grootte, compositie en vorm van het nanokristal variëren. Een logische volgende stap in de zoektocht naar nieuwe materialen is het aan elkaar koppelen van deze kunstmatige atomen tot een superstructuur. Het onderzoeksteam deed dit door nanokristallen aaneen te hechten tot een honingraatstructuur.
Ultrasnelle elektronen
De keuze voor een honingraatstructuur was niet willekeurig. Grafeen, een enkele laag koolstofatomen in een honingraatstructuur, staat de afgelopen jaren zeer in de belangstelling omdat het veelbelovend is voor nieuwe ultrasnelle elektronica. De honingraatstructuur zorgt er namelijk voor dat elektronen met een snelheid van meer dan een miljoen kilometer per uur door het materiaal heen schieten. Een nadeel van grafeen is echter dat het geen halfgeleider is, maar meer lijkt op een metaal. Hierdoor is het niet ideaal voor het schakelen in elektronische circuits of voor opto-elektronische toepassingen, zoals in beeldschermen en leds.
Beste van twee werelden
"De halfgeleider nanokristallen in een honingraatstructuur combineren dus het beste van twee werelden", besluit Boneschanscher. Hij promoveert woensdag 4 juni op onder meer dit onderzoek.
De in Science gepubliceerde studie is een samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit Utrecht, de Technische Universiteit Delft, en natuurkundigen in Grenoble en Antwerpen.
Contact
Mark Boneschanscher, +31 (0)30 600 13 89.
Referentie
Long-Range Orientation and Atomic Attachment of Nanocrystals in 2D Honeycomb Superlattices, M.P. Boneschanscher, W.H. Evers, J.J. Geuchies, T. Altantzis, B. Goris, F.T. Rabouw, S.A.P. van Rossum, H.S.J. van der Zant, L.D.A. Siebbeles, G. Van Tendeloo, I. Swart, J. Hilhorst, A.V. Petukhov, S. Bals, and D. Vanmaekelbergh, Science, 29 mei 2014
Filmpjes
Hieronder vindt u links naar twee filmpjes, die reconstructies van de honingraatstructuren tonen. De filmpjes zijn gemaakt met behulp van elektronentomografie. Tussen bewegende beelden van de reconstructiemodellen (kleur) door zie je de eigenlijke elektronentomografie opnamen (zwart-wit).
Filmpje 1: opname van een structuur bestaande uit het halfgeleidermateriaal cadmium selenide
Filmpje 2: opname van een structuur bestaande uit het halfgeleidermateriaal lood selenide