Henk Klomp
Normaal gesproken is voor het aanbrengen van enkele atomen dikke laagjes hele dure apparatuur nodig, maar Bene Poelsema van de Universiteit Twente bewees dat het ook veel simpeler kan.
Geheel tot ieders verrassing groeide de natuurkundige samen met collega’s een volkomen kristallijn bismutlaagje van 1 nm dik met een doodeenvoudige Knudsencel bij een temperatuur van 200 graden Celsius. Dat is een veel eenvoudiger groeitechniek dan de laserdampdepositietechniek in de COMAT kunstkristalbouwer, waarmee hun Twentse collega’s in de jacht op nieuwe films atoomlaag op atoomlaag stapelen.
‘De Knudsencel is een vaatje met een gaatje, waar door de dampdruk atomen uit ontvluchten en vervolgens neerslaan op een substraat’, legt Poelsema uit. ‘We groeiden laagjes bismut op nikkel om soortgelijke nanopatronen te krijgen als van loodfilms op koper. Tot onze verwondering ontstond er echter vanzelf een volkomen geordend bismutkristal van slechts drie lagen. Dat is nog nooit vertoond. Bismut kent die vorm helemaal niet.’
De natuurkundigen ontdekten dat de kwantummechanica de hand had in deze filmgroei. De natuur koos de afstand tussen de laagjes en een aantal laagjes precies zo, dat tussen onder- en bovenkant een kwantummechanische staande golf kan worden gespannen. Die heeft precies de golflengte van de zogeheten Fermi-elektronen, elektronen in de meest voorkomende energietoestand van het kristal. Poelsema: ‘Aan de randen heb je dan de knooppunten van de golf. Dat wil zeggen dat daar geen elektronen voorkomen. In het midden juist heel veel, zodat je relatief hoge stromen door het laagje moet kunnen trekken.’
‘Volgende week ga in naar de AVS-conferentie in Nashville, een groot evenement voor onder andere filmgroeiers en chiponderzoekers, waar we onze waarnemingen zullen presenteren. Eerst eens kijken wat daar de reacties zijn’, vertelt Poelsema.
De natuurkundige verwacht door variatie in temperatuur allerlei verschillende films van slechts nanometers dik te kunnen groeien. ‘Bismut kent allerlei gedaantes: halfmetaal, halfgeleider, metaal, allemaal mogelijk componenten op chip. In de toekomst kun je met bismut op nikkel zelfs mogelijk magnetisch stroompjes gaan schakelen.’
