29 mei 2014

Elektronische eigenschappen op maat

Honingraatstructuur van nanokristallen biedt het beste van twee werelden

Een onderzoeksteam onder leiding van prof.dr. Daniel Vanmaekelbergh van de Universiteit Utrecht heeft ontdekt hoe een nieuw materiaal met hele aantrekkelijke elektronische eigenschappen  gevormd wordt. Hierdoor is het mogelijk die eigenschappen precies te sturen. Het nieuwe materiaal combineert de variabele eigenschappen van halfgeleider nanokristallen met de bijzondere effecten die plaatsvinden in een honingraatstructuur, zoals grafeen. Mogelijke toepassingen zijn ultrasnelle elektronica en gebruik in een kwantumcomputer. De resultaten van het onderzoek zijn 29 mei gepubliceerd in Science.

In de publicatie in Science 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 eerste auteur 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, waarvan de eigenschappen te variëren zijn met de grootte, compositie en vorm van het nanokristal. 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 lijkt voor nieuwe ultrasnelle elektronica. De honingraatstructuur zorgt er namelijk voor dat de 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, LEDs, etc.

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 en collega's in Delft, Grenoble en Antwerpen. Het onderzoek werd mede gefinancierd door FOM.

Publicatie

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

Meer informatie

Monica van der Garde, persvoorlichter faculteit Bètawetenschappen, m.vandergarde@uu.nl, 06 13 66 14 38.

Filmpjes

  • Interview met Daniël Vanmaekelbergh.
  • Hieronder links naar twee filmpjes, die reconstructies van de honingraatstructuren tonen. De filmpjes zijn gemaakt met behulp van elekronentomografie. Tussen bewegende beelden van de reconstructiemodellen (kleur) door zie je de eigenlijke elektronentomografie opnamen (zwart-wit). Het ene filmpje (groen) toont een opname van een structuur bestaande uit het halfgeleidermateriaal CdSe (cadmium selenide), het andere filmpje (blauw) toont een opname van een structuur bestaande uit het halfgeleidermateriaal PbSe (lood selenide).

http://ematweb.uantwerpen.be/colouratoms/jsc3D/demos/cdse.html
http://ematweb.uantwerpen.be/colouratoms/jsc3D/demos/pbse.html