Onderzoekers gebruiken een gouden membraan om geheimen uit oppervlakken te lokken

Met behulp van een speciaal flinterdun goudmembraan hebben ETH-onderzoekers het aanzienlijk eenvoudiger gemaakt om oppervlakken te bestuderen. Het membraan maakt het mogelijk om eigenschappen van oppervlakken te meten die met conventionele methoden ontoegankelijk zijn.

“Oppervlakken zijn uitgevonden door de duivel” – dit citaat wordt toegeschreven aan de theoretisch natuurkundige Wolfgang Pauli, die vele jaren lesgaf aan de ETH Zürich en in 1945 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontving voor zijn bijdragen aan de kwantummechanica. Onderzoekers worstelen inderdaad met oppervlakken. Aan de ene kant zijn ze buitengewoon belangrijk, zowel in de levende als in de levenloze natuur, maar aan de andere kant kan het duivels moeilijk zijn om ze met conventionele methoden te bestuderen.

Een interdisciplinair team van materiaalwetenschappers en elektrotechnici onder leiding van Lukas Novotny, hoogleraar fotonica aan de ETH Zürich, heeft samen met collega’s van de Humboldt-Universität zu Berlin nu een methode ontwikkeld die de karakterisering van oppervlakken in de toekomst aanzienlijk eenvoudiger zal maken.

Zij onlangs gepubliceerd de resultaten van hun onderzoek, dat is gebaseerd op een extreem dun goudmembraan, in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie.

Oppervlakken zijn belangrijk voor functionaliteit

“Of we nu te maken hebben met katalysatoren, zonnecellen of batterijen: oppervlakken zijn altijd uiterst relevant vanwege hun functionaliteit”, zegt Roman Wyss, voormalig Ph.D. student materiaalkunde en eerste auteur van het artikel, die nu als onderzoeker werkt bij het ETH-spin-offbedrijf Enantios.

De reden voor deze relevantie is dat belangrijke processen meestal plaatsvinden op interfaces. Voor katalysatoren zijn deze processen de chemische reacties die op hun oppervlak worden versneld. In batterijen zijn de oppervlakte-eigenschappen van de elektroden cruciaal voor hun efficiëntie en degradatiegedrag.

Jarenlang hebben onderzoekers Raman-spectroscopie gebruikt om materiaaleigenschappen op niet-destructieve wijze te onderzoeken, dat wil zeggen zonder het materiaal daarbij te vernietigen. Bij Raman-spectroscopie wordt een laserstraal op het materiaal gestuurd en het gereflecteerde licht geanalyseerd.

Uit de eigenschappen van het gereflecteerde licht, waarvan het frequentiespectrum werd gewijzigd door de trillingen van de moleculen in het materiaal, kan men conclusies trekken over zowel de chemische samenstelling van het object in kwestie – ook bekend als de chemische vingerafdruk – als over mechanische eigenschappen. effecten zoals spanning.

Goudmembraan met kleine poriën

“Dit is een zeer krachtige methode, maar kan alleen worden toegepast op oppervlakken met sterke beperkingen”, zegt Sebastian Heeg, die als postdoc in de groep van Lukas Novotny aan de experimenten heeft bijgedragen en nu leiding geeft aan een junior onderzoeksgroep aan de Humboldt-Universität.

Omdat bij Raman-spectroscopie het laserlicht enkele micrometers in het materiaal doordringt, wordt het frequentiespectrum voornamelijk beïnvloed door het grootste deel van het materiaal en slechts in zeer kleine mate door het oppervlak, dat slechts enkele atoomlagen omvat.

Om Raman-spectroscopie ook voor oppervlakken te kunnen gebruiken, ontwikkelden de ETH-onderzoekers een speciaal goudmembraan dat slechts 20 nanometer dik is en langwerpige poriën bevat van ongeveer 100 nanometer groot.

Wanneer zo’n membraan op een te onderzoeken oppervlak wordt overgebracht, gebeuren er twee dingen. Ten eerste voorkomt het membraan dat de laserstraal het volume van het materiaal binnendringt. Ten tweede wordt het laserlicht op de plaatsen van de poriën geconcentreerd en slechts enkele nanometers het oppervlak in gestraald.

Duizendvoudige signaalversterking

“De poriën fungeren als zogenaamde plasmonische antennes, net als de antenne in een mobiele telefoon”, zegt Heeg. De antenne versterkt het Raman-signaal van het oppervlak tot wel duizend keer vergeleken met het signaal van conventionele Raman-spectroscopie zonder membraan. Heeg en zijn collega’s konden dit aantonen op een aantal materialen, waaronder gespannen silicium en het perovskietkristal lanthaan-nikkeloxide (LaNiO₃).

Gespannen silicium is belangrijk voor toepassingen in kwantumtechnologieën, maar tot nu toe is het niet mogelijk geweest om de spanning te onderzoeken met behulp van Raman-spectroscopie, omdat het door het oppervlak geproduceerde signaal werd bedekt door de achtergrondruis van de meting.

Nadat het goudmembraan was aangebracht, werd het spanningssignaal selectief versterkt tot het punt dat het duidelijk te onderscheiden was van de andere Raman-signalen van het materiaal.

Het metallische perovskietlanthaannikkeloxide is daarentegen een belangrijk materiaal voor de productie van elektroden.

“De sterke koppeling tussen de kristalstructuur en de elektrische geleidbaarheid maakt het mogelijk om de geleidbaarheid te controleren door de dikte van de elektrode op nanometerschaal te veranderen. De oppervlaktestructuur speelt hier vermoedelijk een essentiële rol”, zegt Mads Weber, een voormalige postdoc aan de ETH Zürich en nu assistent-professor aan de Universiteit van Le Mans, die deze klasse materialen onderzoekt en ook bij het onderzoek betrokken was.

Dankzij de nieuwe goudmembraanmethode konden de onderzoekers nu voor het eerst toegang krijgen tot de oppervlaktestructuur van lanthaan-nikkeloxide.

“Onze aanpak is ook interessant vanuit het oogpunt van duurzaamheid, omdat bestaande Raman-apparatuur zonder veel moeite volledig nieuwe mogelijkheden kan krijgen”, zegt Heeg.

In de toekomst willen de onderzoekers hun methode verder verbeteren en aanpassen aan de wensen van de gebruiker. Momenteel hebben de poriën in het goudmembraan bijvoorbeeld verschillende afmetingen en zijn ze willekeurig georiënteerd.

Door een gouden membraan te produceren met poriën van gelijke grootte die parallel zijn uitgelijnd, zou de methode kunnen worden geoptimaliseerd voor specifieke materialen, wat de sterkte van het Raman-signaal met nog eens een factor honderd zou verbeteren.