3D-modellen op atoomniveau laten ons zien hoe gadgets werken

Hoewel nanotechnologie en materiaalkunde voor de meesten van ons ingewikkelde onderwerpen zijn, is het onderzoek op deze gebieden voor bijna iedereen van groot belang. Je digitale gadgets zijn er bijvoorbeeld volledig afhankelijk van.

Tegenwoordig is alle micro-elektronica afhankelijk van halfgeleiders. Dit zijn materialen die niet erg goed zijn in het geleiden van elektriciteit. Maar je kunt er kleine hoeveelheden andere stoffen aan toevoegen, een proces dat bekend staat als doping. Dit verbetert de prestaties van de halfgeleider, zodat ze toch niet zo slecht zijn.

“In het verleden hebben we halfgeleiders gedoteerd en zagen dat dit de elektrische eigenschappen van het materiaal drastisch veranderde”, zegt Ph.D. kandidaat Kasper Aas Hunnestad bij NTNU’s Department of Materials Science and Engineering.

Dit is allemaal goed en wel. Het is fijn als iets werkt. Maar afgezien van het feit dat het werkt, hebben we niet altijd goed begrepen waarom het werkt. Dit geldt vooral op atomair niveau.

“Nu weten we veel beter hoe we de individuele toegevoegde atomen, die voorheen bijna onmogelijk te vinden waren, in beeld kunnen brengen. Dit geeft ons nieuwe inzichten en stelt ons in staat te begrijpen hoe ze de eigenschappen van dat materiaal beïnvloeden”, zegt Hunnestad.

Waarom ‘weten waarom’ ook belangrijk is

En dan? Waarom zouden we ons in hemelsnaam zorgen maken over afzonderlijke atomen en waarom iets werkt? Is het niet goed genoeg om te weten dat het werkt? Als dit het geval was, zouden natuurkundigen en scheikundigen zeker plezier beleven aan het onderzoek, maar de rest van ons zou er niet veel baat bij hebben.

“Pas als je meer weet over hoe iets werkt, kun je het materiaal manipuleren en optimaliseren”, zegt Dennis Meier. Hij is een professor in de afdeling Materials Science and Engineering van NTNU, die het project leidde.

Zo maak je bijvoorbeeld efficiëntere, milieuvriendelijkere of goedkopere materialen voor de uit te voeren klus. Of je kunt met veel grotere precisie nieuwe eigenschappen toekennen aan een materiaal dat je al beschikbaar hebt. Dit is ook essentieel voor het ontwikkelen van toekomstige materialen voor duurzame technologie.

“Vaak willen we nieuwe functionaliteit aan materialen toevoegen. Daarvoor moeten we precies weten welke rol elk afzonderlijk atoom speelt”, zegt Meier.

Geavanceerde beeldvormingstechnieken maken het mogelijk

Hunnestad en collega’s presenteren de resultaten van vele, vele uren werk met behulp van “atom probe tomography” (APT) in een recent artikel in Natuurcommunicatie.

APT is een geavanceerd stuk geavanceerde apparatuur dat NTNU een paar jaar geleden heeft aangeschaft. De machine kan een driedimensionale weergave geven van hoe een materiaal eruitziet, tot op atomair niveau, legt Constantinos Hatzoglou uit. Hij is senior engineer in het APT-laboratorium van de afdeling Materials Science and Engineering.

Hunnestad en collega’s gebruikten dit uitstekende vermogen om een ​​nieuw type op oxide gebaseerde halfgeleider te bestuderen waaraan zeer kleine hoeveelheden van een stof zijn toegevoegd om de eigenschappen ervan aan te passen.

“Met conventionele microscopietechnieken konden we niet zien hoe kleine hoeveelheden additieven zich in halfgeleiders positioneerden”, zegt Hunnestad. De nieuwe resultaten laten zien dat de investering in de allerbeste technische apparatuur, zoals deze APT-machine, enorm loont en grensverleggend onderzoek mogelijk maakt.

Toont het enorme potentieel

Ook met APT is het onderzoek nog niet bepaald eenvoudig. Maar door collega’s met verschillende experimentele en theoretische achtergronden samen te brengen – en hard en geïnspireerd te werken – heeft het NTNU-team oplossingen gevonden.

“Dit is niet alleen een geweldige prestatie. Het toont ook het enorme potentieel van de APT-techniek voor onderzoeksgebieden waar het nog niet eerder is toegepast. Het toont de unieke kansen die we hebben dankzij de moderne infrastructuur die beschikbaar is in NTNU’s NanoLab en TEM Gemini centrum”, zegt Meier.

Hunnestad werkt ongeveer drie jaar samen met APT. Hij heeft uitgebreide gecorreleerde microscopiemetingen uitgevoerd, ondersteund door Antonius van Helvoort en Per Erik Vullum. Van Helvoord is professor aan de afdeling Natuurkunde van NTNU en experts in hoge-resolutie elektronenmicroscopie, terwijl Vullum professor II is aan NTNU, Afdeling Natuurkunde en senior onderzoeker bij SINTEF Industry.

Hunnestad en Meier zijn enthousiast over alle fascinerende mogelijkheden die al zijn voortgekomen uit hun op APT gebaseerde onderzoek en de nieuwe perspectieven voor de karakterisering van functionele materialen op atomaire schaal.

Beeldvorming van individuele titaniumatomen gemengd in een halfgeleider

Voor hun recente artikel keek de onderzoeksgroep naar de op oxide gebaseerde halfgeleider Er(Mn,Ti)O₃. Voor dit doel hebben hun medewerkers van het Lawrence Berkeley National Laboratory in de VS kleine hoeveelheden van het element titanium (Ti) toegevoegd aan erbiummanganaat (ErMnO3).

“Met de atoomsonde kunnen we een driedimensionale weergave krijgen van hoe de titaniumatomen in de halfgeleider zijn gepositioneerd”, zegt Meier. “Hierdoor kunnen we de nieuwe elektrische eigenschappen van het materiaal helemaal tot aan individuele atomen koppelen.”

Dr. Muhammad Zeeshan Khalid is lid van het team onder leiding van Sverre Selbach, een professor aan de afdeling Materials Science and Engineering van NTNU. Hij vulde de experimenten aan met berekeningen. Deze berekeningen geven meer inzicht in de effecten die individuele atomen kunnen hebben op de fysische eigenschappen.

Een van de voordelen van wat de onderzoekers hebben gedaan, is dat ze de methode ook op veel andere stoffen kunnen toepassen. Het beperkt zich niet alleen tot de stoffen waarmee het onderzoeksteam van NTNU heeft geëxperimenteerd.

“De procedures en de resultaten zijn van breed belang. Ze kunnen ons begrip van op oxide gebaseerde halfgeleiders en functionele materialen in het algemeen vergroten. Het onderzoek opent volledig nieuwe deuren”, zegt Meier.

Coöperatieve aanpak versterkt onderzoek

Veel mensen van verschillende afdelingen van NTNU hebben bijgedragen om deze wetenschappelijke doorbraak mogelijk te maken. SINTEF, de Onderzoeksraad van Noorwegen, de Noorse micro- en nanofabricagefaciliteit (NorFab), het Noorse laboratorium voor de karakterisering van mineralen en materialen (MiMaC), het Noorse centrum voor transmissie-elektronenmicroscopie (NORTEM) en NTNU Nano ondersteunden het werk.

De onderzoekers wijzen erop dat deze samenwerking mooi de kracht van interdisciplinair onderzoek laat zien. Het laat zien wat er kan worden bereikt met een solide start-of-the-art infrastructuur.

De details over hoe Hunnestad zulke uitstekende resultaten heeft bereikt, zijn voor de meesten van ons waarschijnlijk niet gemakkelijk te verteren. Maar de link naar het onderstaande onderzoeksartikel geeft je iets om op te kauwen als je erin wilt graven.