Natuurkundigen ontwikkelen techniek om 'slimme' materialen te doorgr..


Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Ans Hekkenberg
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2015/artikel.pag?objectnumber=316563
printerversie
26 november 2015, 2015/35

Natuurkundigen ontwikkelen techniek om 'slimme' materialen te doorgronden

Natuurkundigen van de Stichting FOM en de Universiteit Leiden hebben een manier gevonden om de eigenschappen van 'slimme', door de mens ontworpen materialen beter te begrijpen. Hun methode onthult hoe op elkaar gestapelde laagjes in zo'n materiaal samenwerken om het geheel tot een hoger niveau
te tillen. Groepsleider Sense Jan van der Molen en zijn onderzoeksteam publiceren hun resultaten op 26 november 2015 in Nature Communications.
Slimme materialen
vergroten Slimme materialen
a) De nieuwe meettechniek vuurt elektronen onder een hoek af op gestapelde materialen. Door de reflectie van de elektronen te bekijken, kunnen onderzoekers beter begrijpen hoe tweedimensionale lagen met elkaar samenwerken om tot de eigenschappen van een gecombineerd materiaal te komen.
b) Uiteindelijk willen onderzoekers zelf nieuwe materialen kunnen ontwerpen, door een 'spekkoek' van materiaallaagjes te bouwen die precies de gewenste eigenschappen heeft.
Credits: Johannes Jobst
Kunnen we slimme materialen ontwerpen met volkomen nieuwe eigenschappen? Een veelbelovende manier om dat te doen, is door extreem dunne laagjes van slechts een atoom dik te stapelen tot een driedimensionaal materiaal; een soort spekkoek. Interessant genoeg worden de eigenschappen van deze
samengestelde materialen niet alleen bepaald door de eigenschappen van de individuele laagjes. Ook de wisselwerking tussen de laagjes speelt een grote rol. Daardoor kan zo'n gestapeld materiaal heel andere eigenschappen hebben dan je zou verwachten door simpelweg de afzonderlijke eigenschappen
van de lagen te combineren; het geheel is dus meer dan de som der delen. Natuurkundigen van FOM en de Universiteit Leiden hebben nu een techniek ontwikkeld waarmee ze de wisselwerking tussen de materiaallagen kunnen meten.

Bandenstructuur
De elektronische eigenschappen van een materiaal, uitgedrukt in een zogenaamde bandenstructuur, bepalen hoe het materiaal zich gedraagt. De bandenstructuur zegt welke energie een elektron in het materiaal kan hebben en hoe deze energie afhangt van de snelheid van het elektron. Er zijn
toegestane energieen (een 'band') en verboden energieen (een 'band gap'). Een groot deel van deze bandenstructuur was voorheen moeilijk meetbaar. Eerste auteur Johannes Jobst en zijn collega's brachten daar verandering in door een bijzondere microscoop te gebruiken en te verbeteren: een
Lage-Energie Elektronen Microscoop (LEEM).

De microscoop vuurt elektronen met een bepaalde energie af op het te onderzoeken materiaal. De onderzoekers meten vervolgens hoeveel elektronen gereflecteerd worden voor verschillende energieen. Als een inkomend elektron een onbezette toestand in het materiaal treft, wordt het niet
gereflecteerd. Maar als er geen toestanden zijn met de energie van het inkomende elektron, is de reflectie juist hoog. Zo kunnen de onderzoekers meten welke (onbezette) elektrontoestanden er in het gestapelde materiaal bestaan, en dus hoe de bandenstructuur eruit ziet.

Door dit te doen voor verschillende stapelingen van grafeen, wisten de onderzoekers te onthullen hoe de banden die bij de verschillende laagjes horen, gaan samenwerken. De methode heeft daarbij een 100.000 keer hogere ruimtelijke resolutie dan conventionele methoden. Dat is belangrijk, omdat
de huidige gestapelde materialen een extreem klein oppervlak hebben (veel kleiner dan een vierkante millimeter).

Designer materials
Zodra wetenschappers de wisselwerking goed begrijpen, kunnen ze wellicht een volgende stap zetten: "We willen van tevoren bepaalde eigenschappen kunnen kiezen, en vervolgens de laagjes zo stapelen dat het gewenste materiaal ontstaat," aldus Sense Jan van der Molen. "Zulke designer materials
zijn het langetermijndoel."

Referentie
Nanoscale measurements of unoccupied band dispersion in few-layer graphene, Nature Communications, 26 november 2015. DOI: 10.1038/NCOMMS9926.
Contactinformatie
Sense Jan van der Molen, (071) 527 65 41
Homepage