Wat zouden we kunnen doen met gelaagde structuren met precies de juiste lagen? Wat zouden de eigenschappen van materialen zijn als we de atomen echt zouden kunnen rangschikken zoals we ze willen?

De nieuwsgierige Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman stelde deze vragen in zijn historische lezing uit 1959, Er is genoeg ruimte aan de onderkant. Het bruiste van diepgaande ideeën over "het manipuleren en controleren van dingen op atomaire schaal", met behulp van kwantummechanica.

Vergezocht in die tijd, nu is het manipuleren van lagen van atomen een belangrijk onderzoeksgebied. Om Feynmans visie te realiseren, onderzoekers van IBM en Bell Labs in de VS moesten een nieuwe benadering bedenken om materialen laag voor laag te construeren:moleculaire bundelepitaxie of MBE.

Dit kan worden vergeleken met verfspuiten met atomen. Je begint met het verdampen van ultrazuivere bronmaterialen zoals gallium, aluminium of indium, en combineer ze met arseen of fosfor. De verdampte atomen vliegen door een vacuümkamer naar een basislaag van vergelijkbare materialen. De atomen kleven eraan en bouwen langzaam een ​​atoomlaag tegelijk op. Het ultrahoge vacuüm zorgt ervoor dat onzuiverheden minimaal zijn.

Atomaire architecten

Hoewel het proces relatief langzaam is - meestal slechts een paar atomaire lagen per minuut - is de precisie opmerkelijk. Het stelt technici in staat om verschillende halfgeleidermaterialen op elkaar te stapelen om kristallen te creëren die bekend staan ​​als heterostructuren, die zeer nuttige eigenschappen kunnen hebben. Door afwisselend lagen aluminiumarsenide en galliumarsenide te stapelen, bijvoorbeeld, je zou een materiaal kunnen produceren dat extreem goed is in het opslaan van elektriciteit.

Nadat deze techniek in de jaren 90 en 2000 was geperfectioneerd, wetenschappers waren in staat om het aantal elektronen en hun energieën in een bepaald kristal te beheersen. En aangezien licht dan interageert met deze elektronen, als je meer controle hebt over het gedrag van elektronen, krijg je ook meer controle over hoe ze door licht worden gestimuleerd.

Heterostructuren hebben geleid tot veel nieuwe ontdekkingen, met name met betrekking tot het kwantumgedrag van deeltjes zoals elektronen erin. Nobelprijzen voor natuurkunde zijn vijf keer toegekend (1973, 1985, 1998, 2000, en 2014), en de resulterende materialen hebben een revolutie teweeggebracht in de beschaving.

Halfgeleider heterostructuren maken zonnecellen mogelijk, LED's, lasers en ultrasnelle transistoren. Zelfs internet zou anders onmogelijk zijn:de lasers die de lichtpulsen verzenden die de stukjes informatie online coderen, zijn gemaakt van heterostructuren, net als de fotodetectoren die deze lichtpulsen meten en de informatie decoderen.

Er zijn beperkingen, echter. De atoomgrootte, afstand en rangschikking van deze heterostructuren kunnen niet te veel verschillen tussen lagen zonder dat er defecten optreden. Dit beperkt de mogelijke materiaalcombinaties en het potentieel om de elektronische en optische eigenschappen vrij te ontwerpen.

Ook, kristallen bestaan ​​van nature uit atomen die in alle drie de richtingen bindingen vormen. Dit betekent dat er altijd ontevreden atomen zijn met "bungelende" bindingen aan de randen. Vreemde onzuiverheden zoeken deze bindingen op en creëren defecten die andere eigenschappen kunnen vernietigen. Dit wordt vooral belangrijk bij kleinere kristallen, voorkomen dat ze volledig worden geïntegreerd in moderne transistors, lasers enzovoort.

Voer 2D-kristallen in

Het ultieme in ultradunne materiaalvellen is een enkele laag atomen. Gelukkig, de natuur heeft zulke "tweedimensionale kristallen" bedacht. De meest bekende is grafeen, dat zijn gewoon koolstofatomen die in een zeshoekig patroon zijn gerangschikt.

Grafeen is sterker dan staal en geleidt elektriciteit beter dan koper. Het heeft veel unieke en soms exotische elektronische, optische en mechanische eigenschappen – zoals erkend door de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn ontdekking in 2010.

In een perfect grafeenkristal, alle atomen zijn volledig met elkaar verbonden en er zijn geen bungelende banden. Het is beroemd om de mogelijkheid om grafeen te produceren door lagen grafiet uit elkaar te trekken met plakband:grafiet bestaat eigenlijk uit vele lagen grafeen die allemaal bij elkaar worden gehouden door Van der Waals-krachten, die veel zwakker zijn dan de bindingen in elk samenstellend vel grafeen.

Naast grafeen, er zijn veel andere 2D-kristallen, elk met unieke eigenschappen. Verschillende komen van nature voor als edelstenen in de grond, zoals molybdnimum disulfide, een belangrijk industrieel smeermiddel. Anderen kunnen worden gemaakt door moleculaire bundelepitaxie, zoals de isolator boornitride, en kristallen in dezelfde familie van overgangsmetaaldichalcogeniden als molybdnimum disulfide.

Zoals grafeen is voor grafiet, wetenschappers "pellen" (of exfoliëren) enkele 2D-vellen af ​​​​van grotere hoeveelheden van deze verbindingen. De inherente dunheid van deze platen betekent dat ze zich heel anders kunnen gedragen dan de eerder beschreven heterostructuren. Verschillende atomair dunne materialen kunnen isolerend zijn, halfgeleidend, metalen, magnetisch of zelfs supergeleidend.

Wetenschappers kunnen ook kiezen, plaats en combineer deze materialen naar believen om nieuwe heterostructuren te vormen, bekend als Van der Waals heterostructuren, met andere eigenschappen dan de 2D-platen. Cruciaal, deze hebben niet dezelfde beperkingen als hun neven gemaakt door moleculaire bundelepitaxie. Ze kunnen bestaan ​​uit lagen van zeer verschillende atoomkristallen, waardoor ongekende en onbeperkte mogelijkheden voor het combineren van verschillende materialen.

Bijvoorbeeld, je kunt magnetische lagen combineren met halfgeleiders en isolatoren zonder verontreinigingen zoals vocht of oxiden tussen lagen aan te trekken - onmogelijk met epitaxiale heterostructuren. Dit kan worden gebruikt om apparaten te maken die magnetisme regelen met behulp van elektriciteit, die de basis vormt voor magnetisch geheugen in harde schijven.

Je kunt ook twee identieke atomaire lagen op elkaar stapelen met één schuin gedraaid. Hierdoor ontstaat een rooster dat een moirépatroon wordt genoemd, wat een nieuwe mate van vrijheid biedt om de elektronische en optische eigenschappen te engineeren. De afbeeldingen die we gebruiken om dit te demonstreren op de huidige Royal Society Summer Exhibition in Londen geven een idee van hoe dit werkt:

Terwijl Van der Waals heterostructuren nog in de kinderschoenen staan, indrukwekkende nieuwe fysica en mogelijkheden zijn al in opkomst. Deze omvatten kleinere, aansteker, flexibelere en efficiëntere versies van zonnecellen, LED's, transistoren en magnetisch geheugen.

In de toekomst, we kunnen verrassingen verwachten waar we eerder niet van hadden gedroomd. Een vroeg voorbeeld is de recente ontdekking dat wanneer je twee lagen grafeen onder een "magische hoek" ten opzichte van elkaar draait, de elektronen worden supergeleidend. Deze doorbraak, nog niet helemaal duidelijk, zou 30 jaar oude mysteries kunnen ontrafelen over hoe elektronen door supergeleiders kunnen navigeren zonder energie te verliezen. Het zou ons in staat kunnen stellen om supergeleiders te gebruiken bij kamertemperatuur, met potentiële voordelen voor alles, van medische beeldvorming en kwantumcomputers tot het verzenden van elektriciteit over lange afstanden.

Het voorspellen van technologische resultaten is niet eenvoudig, echter. Zoals Herbert Kroemer, die in 2000 de Nobelprijs deelde voor de ontwikkeling van heterostructuren van halfgeleiders die worden gebruikt in hogesnelheids- en opto-elektronica, zei vaak:"De belangrijkste toepassingen van elke voldoende nieuwe en innovatieve technologie zijn en zullen altijd toepassingen zijn die door die technologie zijn gecreëerd."

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.