Met een golflengte van ongeveer een halve millimeter, terahertz-straling vult de kloof tussen zichtbaar licht en radiogolven. Deze straling leent zich uitstekend voor het diepgaand meten van de elektrische eigenschappen van nieuwe materialen, zoals promovendus Niels van Hoof heeft aangetoond. Hij hielp bij het bouwen van een unieke terahertz-microscoop die volledig op afstand kan worden bediend - handig in een pandemie.

Vanuit een wetenschappelijk perspectief, terahertz-straling is een vreemde eend in de bijt:gevangen tussen kindertijd en volwassenheid, je kan zeggen. Of liever gezegd, de golven zijn te kort voor elektrotechniek en te lang voor natuurkunde. Met het oog hierop, natuurkundige Niels van Hoof, die zijn doctoraat deed in de Surface Photonics-groep onder leiding van Jaime Gómez Rivas (Applied Physics), had ook contact met de groep onder leiding van prof.dr. Marion Matters van Electrical Engineering.

"De twee groepen creëerden zelfs samen een spin-off, Tera Nova, "zegt hij. "Het bedrijf beheert de commerciële lancering van de terahertz-microscoop die we hebben ontwikkeld." De kruisbestuiving tussen de twee bloedgroepen, elk met zijn eigen jargon, maakt het specialisme terahertzstraling bijzonder interessant, vindt Van Hoof.

Lichaamsscanners

Buiten het laboratorium, terahertz-straling is vooral bekend in verband met de bodyscanners die op luchthavens worden gebruikt. Veel objecten zijn transparant voor terahertzstraling, legt de promovendus uit. "Maar metalen gedragen zich als een perfecte spiegel voor deze straling omdat ze elektriciteit geleiden. Dit maakt terahertzstraling zeer geschikt voor het detecteren van wapens."

Deze gevoeligheid voor elektrische geleidbaarheid voegt een andere toepassing toe aan de terahertz-stralingsportfolio:het bestuderen van materialen die nieuw in het laboratorium zijn geproduceerd. Denk aan allerlei fantasiestructuren zoals nanodraden, die door hun bijzondere vorm en samenstelling bijzondere elektromagnetische eigenschappen vertonen.

Om deze nieuwe materialen te analyseren, we moeten inzoomen, als het ware, op het voorwerp. Dit kan worden gedaan met behulp van een techniek die near-field spectroscopie wordt genoemd, een methode die al een halve eeuw met succes wordt toegepast in de lichtmicroscopie. Hier, structuren kleiner dan de golflengte van het gebruikte licht worden zichtbaar gemaakt.

Oppervlakte

"Door deze techniek toe te passen op terahertz-straling kunnen we de elektrische velden op het oppervlak van structuren detecteren die veel kleiner zijn dan de golflengte van de straling, ", legt Van Hoof uit. "Hierdoor halen we een resolutie tussen de drie en tien micrometer." In de meetopstelling beweegt het monster in stappen van tien micrometer langs een detector terwijl het wordt belicht door pulsen van terahertzstraling. "Hierdoor kunnen we meet het lokale elektrische veld als functie van de tijd. We gebruiken deze informatie om te begrijpen waarom het materiaal zich op een bepaalde manier gedraagt."

Metingen als deze zijn bijna onmogelijk uit te voeren met zichtbaar licht, zegt de fysicus. "In het optische domein heb je geen andere keuze dan gedrag te simuleren, terwijl we het echt kunnen meten. Het leuke van het systeem is dat het schaalbaar is; dit betekent dat u bij het werken met kleinere structuren en de overeenkomstige hogere frequenties, in principe, hetzelfde gedrag verwachten. En dus zijn onze metingen met de terahertz-microscoop ook relevant voor andere delen van het elektromagnetische spectrum."

Laserpuls

Een van de onderzoeksgebieden was dat Van Hoof een reeks materialen bestudeerde, waaronder een van los geweven zilveren nanodraden. "Goedkoop, van dit materiaal zouden eventueel transparante elektroden gemaakt kunnen worden, voor gebruik in, zeggen, flexibele plastic zonnecellen, " legt hij uit. "Hoewel we geen individuele nanodraden kunnen zien met onze microscoop, kunnen we de relevante elektrische eigenschappen bepalen. Ik heb hier met DIFFER aan gewerkt; ze maken dit soort materialen."

Als tweede onderzoeksgebied bestudeerde hij de zuiverheid van halfgeleidermateriaal. "Je kunt deze zuiverheid vaststellen door te meten hoe lang het materiaal geleidend blijft nadat je er met een korte, intense puls van laserlicht. Hoe langer de tijd, hoe zuiverder het materiaal. Dit is interessante informatie voor de halfgeleiderindustrie. We hebben een manier bedacht om dit te doen zonder dat de laserpuls de detector beschadigt. Dit is zo uniek dat er patent op is verleend."

Bediening op afstand

Even uniek is het feit dat de door Van Hoof gebouwde meetopstelling geheel op afstand – via internet – te bedienen is. Zoals uitgelegd in de korte film hieronder, dit bleek zeer nuttig tijdens de laatste fase van zijn onderzoek; ten slotte, dit viel samen met de lockdowns tijdens de coronapandemie.