Nieuws en Agenda

10 januari 2017

NWO TOP-subsidie voor Stoof en Vanmaekelbergh

Utrechtse wetenschappers ontvangen subsidie voor onderzoek naar ultradunne halfgeleiders

Henk Stoof en Daniël Vanmaekelbergh

De Utrechtse onderzoekers Daniël Vanmaekelbergh (Debye Instituut voor Nanomaterialen) en Henk Stoof (Instituut voor Theoretische Fysica) ontvangen samen met Laurens Siebbeles (TU Delft) een NWO TOP-subsidie van 780.000 euro. Ze gaan hiermee onderzoek doen naar de optische en elektronische eigenschappen van ultradunne materialen. Door deze eigenschappen slim in te zetten, kan het onderzoek uiteindelijk bijdragen aan toepassingen als efficiëntere LED-verlichting en zonnecellen.

De ultradunne materialen – ook wel tweedimensionale materialen genoemd – hebben bijzondere eigenschappen, omdat ze maar enkele nanometers dik zijn, en zeker als ze in de twee lange dimensies ook nog een extra regelmatigheid vertonen op de nanoschaal. In de lengte en breedte is de normale (homogene) natuurkundige beschrijving van toepassing, maar is ook de nanogeometrie belangrijk, terwijl er in de dikte extra quantumeffecten optreden. Dat alles heeft effect op de optische en elektronische eigenschappen van het materiaal en kan op die beide vlakken voor interessante nieuwe toepassingen zorgen.

Supergeleiders

Stoof legt uit: “Je computer wordt warm als hij aan staat. Dat is allemaal energieverlies. Op elektronisch gebied willen we uiteindelijk graag materialen maken waar je stroom doorheen kunt laten lopen zonder dat er energie verloren gaat.” Er zijn op dit moment nog geen materialen ontwikkeld die supergeleidend zijn bij kamertemperatuur. “Het materiaal waar we mee werken heeft iets weg van grafeen, maar het is wel een halfgeleider en dus beter toepasbaar”, vertelt Stoof. “Tot nu toe treedt supergeleiding alleen op als je een materiaal tot dichtbij het absolute nulpunt afkoelt. Maar misschien is het wel mogelijk om dit materiaal zo te tweaken dat je halfgeleiders kunt maken die bij een hogere temperatuur zonder energieverlies functioneren.”

Optische eigenschappen

Ook de optische eigenschappen van het materiaal zijn aan te passen. Door een laser op het tweedimensionale materiaal te schijnen, creëren we een groot aantal excitonen: paren van een positief en een negatief deeltje. “Het exciton kan zichzelf vernietigen door die deeltjes dicht bij elkaar te brengen”, legt Vanmaekelbergh uit. “Het zendt dan een foton uit.” Daarmee geeft het materiaal dus licht. De eigenschappen van dat licht – onder andere de kleur en intensiteit – zijn aan te passen door bijvoorbeeld de temperatuur en dichtheid van de excitonen in het materiaal te veranderen. Dat kan uiteindelijk bijdragen aan nieuwe LEDs of lasers. Bovendien heeft Stoof theoretisch aangetoond dat er bij hoge dichtheden van excitonen en lage temperaturen exotische elektronische fases kunnen ontstaan.

Alles in huis

Henk Stoof werkt al langer aan de theoretische eigenschappen van dit soort materialen, en hun Delftse samenwerkingspartner Laurens Siebbeles richt zich vooral op optische experimenten. Stoof: “Ik had in eerste instantie een voorstel geschreven met Laurens, maar daarbij misten we iemand die de materialen echt kon maken.” Ze zochten daarom contact met Daniël Vanmaekelbergh. “Daniël is de wereldexpert in het maken en aanpassen van die materialen. We hebben nu dus alles in huis.” Ook Vanmaekelbergh is blij met de samenwerking. “Op dit gebied loopt de theorie ver vooruit op de experimenten,” vertelt hij, “omdat de materialen heel lastig te maken zijn. Maar experimenten zijn wel heel belangrijk. Op deze nanoschaal treden er allerlei extra verstoringen op. Die zijn niet per se ernstig, maar ze zijn er wel, en ze zijn theoretisch lastig te voorspellen.”

De concrete toepassingen zijn vooralsnog een ver toekomstbeeld. Wat de onderzoekers wel willen bereiken? “We hopen op nieuwe fysica”, aldus Vanmaekelbergh. “Onze plannen zijn eigenlijk ambitieuzer dan wat het budget toelaat. Maar we hopen een heel eind te komen.”

Nieuws en Agenda