Mesa+ onderzoekers hebben aangetoond dat elektronen zich in een rooster van nanodraden opvallend gedragen. Ze reizen niet door de metallische draden maar wandelen er tussendoor. Een resultaat dat deze maand de cover siert van Physical Review Letters.
Op nanoschaal laat de quantummechanica zich gelden en gaan doodgewone dingen ineens anders dan in de tastbare wereld van alledag. Anderhalf jaar geleden ontstond een unieke extra mogelijkheid (`een buitenkansje') om deze exotische effecten te meten. Toen ontdekten de Mesa+ onderzoeksgroepen van professoren Harold Zandvliet en Bene Poelsema, bij toeval, dat nanodraden van hoge kwaliteit spontaan ontstaan bij verwarming tot boven de 725 graden Celsius. Dat gebeurt bij een laagje platina-atomen op een oppervlak van germanium. De platina-atomen ordenen zich in perfect rechte nanodraden, zonder knikken en lijnrecht, met een doorsnede van één atoom en met een lengte tot wel duizenden atomen. En dat allemaal op een onderlinge afstand van 1,6 nanometer.
Aan een dergelijk lijnenrooster hebben promovendi ir. Arie van Houselt en Nuri Oncel bij lage temperaturen nauwkeurige metingen verricht met behulp van hoge-resolutie scanning tunneling microscopie waarbij een micronaald het oppervlak aftast. In een eerste stap toonden de onderzoekers aan dat de gebieden met de platina nanodraden zich metallisch, dus geleidend, gedroegen. De tweede meetstap leverde een grote verrassing op.
`Normaal gesproken verwacht je dat de elektronenniveau's te vinden zijn op de plekken waar de nanodraden zijn, dus dat elektronentransport zich afspeelt door de nanodraden', zegt hoogleraar Harold Zandvliet die samen met Bene Poelsema het onderzoek leidde. `Maar het tegenovergestelde bleek het geval: een totaal contra-intuïtief resultaat.'
De onderzoekers kwamen tot deze conclusie door structuuropnamen van de nanodraden te matchen met opnamen van de elektronendichtheid op hetzelfde proefmonster op hetzelfde moment. Na het combineren van de twee opnamen bleken de gebieden met hoge elektronendichtheid precies te vallen tussen de platina nanodraden. Zandvliet: `Meettechnisch was dit een zeer complexe klus omdat je simultaan en heel nauwkeurig twee soorten metingen moet verrichten en die met elkaar moet matchen.'
Trucs
De Mesa+ onderzoekers krijgen steeds beter vat op de nanodraden. Door `een truc' is het mogelijk om de afstanden tussen de draden ook op een onderlinge afstand van 2,4 nanometer ook spontaan te laten groeien. `Door deze mogelijkheid konden we ons model bevestigen', zegt Zandvliet.'De natuur geeft ons niet meer dan deze twee afstanden, maar grotere afstanden kunnen we wel zelf maken door de atoomstructuren één voor één op te bouwen. Ook kunnen we inmiddels kleine defecten in de spontaan gegroeide nanodraden repareren door een atoom toe te voegen. En, ook heel belangrijk, we kunnen gecontroleerd defecten aanbrengen zodat de elektronen zich tussen de draden door kunnen verstrooien. Dat levert ons weer nieuwe mogelijkheden op voor vervolgonderzoek.'
Het onderzoek zal bovendien op een ander pad zijn vervolg krijgen. De nanodraden van platina zijn namelijk heel goed te `decoreren' met moleculen, bijvoorbeeld met CO wat graag met platina reageert maar niet met het onderliggende germanium. `We hopen de energieputten waarin de elektronen zich bewegen dieper te maken', zegt Zandvliet. Zo kunnen de wetenschappers voorkomen dat elektronen van het ene kanaal `lekken' naar het andere. Ook zouden hoger energetische elektronen in de nanoroosters waarneembaar kunnen worden.
