Utrecht,
20
september
2016
|
08:48
Europe/Amsterdam

Belangrijke stap in onderzoek naar nieuwe materialen

‘Onbegrijpelijke’ geboorte superkristal begrepen

Samenvatting

Twee jaar geleden publiceerde een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit Utrecht in Science hoe zij een materiaal met unieke en zeer interessante elektronische eigenschappen hadden gemaakt. In dit ‘superkristal’ bewegen de elektronen bijna zo snel als lichtdeeltjes én is de stroom schakelbaar. Ideaal voor ultrasnelle elektronica. Wat de onderzoekers voor een groot raadsel stelde, was hoe dit ‘superkristal’ zijn bijzondere structuur krijgt. Dat hebben ze nu ontdekt en blijkt een heel ander mechanisme dan voor kristalvorming bekend. Dit is een belangrijke inzicht voor het onderzoek naar nieuwe materialen met bijzondere elektronische eigenschappen. De resultaten van het onderzoek zijn online gepubliceerd in Nature Materials van maandag 5 september.

Het ‘superkristal’ ontstaat doordat hele kleine nanokristallen samen een perfect geordend vlak van één laag vormen. In dit superrooster loopt de structuur van de atomen – A, B, A, B – precies zo door als in de nanokristallen zelf. “Maar hoe uit al die nanokristallen een zo netjes gevormd superrooster geboren kan worden, was voor ons onbegrijpelijk”, vertelt prof. Daniël Vanmaekelbergh van de Universiteit Utrecht. “Nu we inzicht hebben in hoe het rooster ontstaat, kunnen we veel gerichter onderzoeken hoe we de structuren kunnen maken die we graag willen hebben.”

Mysterieus
Voor het maken van de superstructuur worden de nanokristallen opgelost in een olieachige vloeistof die drijft op een laagje koelvloeistof. Terwijl de olie verdampt, blijken de nanokristallen op het wateroppervlak een keurige hexagonale structuur te vormen. Dan gebeurt er iets mysterieus, aldus Vanmaekelbergh: de nanokristallen draaien gezamenlijk en systematisch naar een pseudo-hexagonale structuur. “Alsof het schoonzwemmers zijn”, beschrijft hij.

Legoblokjes
Pas daarna ontstaat contact en ‘klikken’ de nanokristallen als legoblokjes aan elkaar vast om een vlak van één perfecte laag te vormen. Dit mechanisme is tot nu toe alleen waargenomen bij metalen, maar dat is een heel ander materiaal.

Röntgenstraling
Het was niet eenvoudig om dit verrassende mechanisme te achterhalen. Nanokristallen zijn te klein om te zien met een lichtmicroscoop. Daarom ontwierpen de promovendi Jaco Geuchies en Carlo van Overbeek een experiment waarbij de vorming van de superstructuur werd gevolgd met röntgenstraling. Bij iedere verandering van de structuur, wordt de röntgenstraling op een andere manier verstrooid. Uit de veranderingen in de verstrooiing, kon de beweging van de nanokristallen worden afgeleid.

Halfgeleiders
De nanokristallen zijn halfgeleiders die heel geschikt zijn om elektronica te schakelen. Door van dit soort nanokristallen een bepaalde perfecte superstructuur te vormen, kan de snelheid van de elektrische stroom door het materiaal opgevoerd worden.

Belangrijke stap
De meest spectaculaire stroomsnelheid is bekend van grafeen. Alleen is grafeen niet zo geschikt voor elektrische schakelingen. Vandaar dat onderzoekers proberen een materiaal te vinden met een structuur die lijkt op die van grafeen, maar met atomen of nanokristallen die betere eigenschappen voor elektronische schakelingen hebben. “Daarom is het zo’n belangrijke stap dat we nu begrijpen hoe deze interessante structuur wordt gevormd”, aldus Vanmaekelbergh.

Beeld
Onderaan dit bericht beelden van de vorming van het superkristal, van de promovendi en eerste auteurs Jaco Geuchies en Carlo van Overbeek en van laatste auteur Daniël Vanmaekelbergh. Beelden zijn zowel in hoge als in lage resolutie te downloaden, door het gewenste beeld te selecteren.

Publicatie
'In situ study of the formation mechanism of two-dimensional superlattices from PbSe nanocrystals'
Jaco J. Geuchies*, Carlo van Overbeek*,Wiel H. Evers, Bart Goris, Annick de Backer, Anjan P. Gantapara*, Freddy T. Rabouw*, Jan Hilhorst, Joep L. Peters*, Oleg Konovalov, Andrei V. Petukhov*, Marjolein Dijkstra*, Laurens D. A. Siebbeles, Sandra van Aert, Sara Bals and Daniel Vanmaekelbergh*
Nature Materials, DOI: 10.1038/NMAT4746, 5 september 2016

* verbonden aan de Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is medegefinancierd door de ESRF, de Stichting FOM en het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen. De experimenten werden voor een belangrijk deel uitgevoerd bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. De ESRF heeft een zeer krachtige elektronensynchrotron waarmee bijzonder krachtige röntgenstraling opgewekt kan worden.

Meer informatie

  • Dit onderzoek loopt vooruit op het onderzoeksproject waarvoor Daniël Vanmaekelbergh en zijn Utrechtse collega-hoogleraren Willem Kegel en Andries Meijerink een TOP-PUNT subsidie van NWO Chemische Wetenschappen ontvingen.

 

Reacties (0)
Het bericht is verzonden, deze zal worden geplaatst na goedkeuring.
Deel deze release

Laatste nieuws