Natuurkundigen van de Stichting FOM en de Universiteit Leiden hebben een manier gevonden om de eigenschappen van door de mens gemaakte 'slimme' materialen beter te begrijpen. Hun werkwijze laat zien hoe gestapelde lagen in zo'n materiaal samenwerken om het materiaal naar een hoger niveau te brengen. Groepsleider Sense Jan van der Molen en zijn onderzoeksteam publiceren hun resultaten op 26 november 2015 in Natuurcommunicatie .

Kunnen we slimme materialen ontwerpen met geheel nieuwe eigenschappen? Een veelbelovende manier om dit te doen is om extreem dunne lagen – slechts één atoom dik – te stapelen tot een driedimensionaal materiaal; een soort sandwichcake. Interessant genoeg, de eigenschappen van deze composietmaterialen worden niet alleen bepaald door de eigenschappen van de afzonderlijke lagen. Ook de interactie tussen de lagen speelt een belangrijke rol. Bijgevolg, zo'n gelaagd materiaal kan heel andere eigenschappen hebben dan je zou verwachten op basis van de combinatie van eigenschappen van de afzonderlijke lagen; het geheel is meer dan de som der delen. Natuurkundigen van de FOM en de Universiteit Leiden hebben een techniek ontwikkeld waarmee ze de interactie tussen de materiaallagen kunnen bestuderen.

Bandstructuur

De elektronische eigenschappen van een materiaal, uitgedrukt in wat de bandstructuur wordt genoemd, bepalen hoe het materiaal zich gedraagt. De bandstructuur vertelt je welke energie een elektron in het materiaal kan hebben en hoe deze energie afhangt van de snelheid van het elektron. Er zijn toegestane energieën ('bands') en verboden energieën ('band gaps'). Een groot deel van deze bandstructuur was voorheen moeilijk te meten. Eerste auteur Johannes Jobst en zijn collega's hebben het probleem overwonnen door een speciale microscoop te gebruiken en te upgraden:een Low-Energy Electron Microscope (LEEM).

De microscoop vuurt elektronen af ​​met een specifieke energie op het onderzochte materiaal. Onderzoekers meten vervolgens hoeveel elektronen van verschillende energieën worden gereflecteerd. Wanneer een binnenkomend elektron een onbezette toestand in het materiaal tegenkomt, het wordt niet weerspiegeld. Omgekeerd, wanneer er geen vrije toestanden zijn met de energie van het binnenkomende elektron, het reflectiepercentage is hoog. Met behulp van deze methode, de onderzoekers kunnen meten welke bezette en onbezette elektronentoestanden aanwezig zijn in het gelaagde materiaal en dus hoe de bandstructuur eruitziet.

Door dit te doen met verschillende stapels grafeen, de onderzoekers zijn erin geslaagd te onthullen hoe de banden die bij de verschillende lagen horen, met elkaar omgaan. De methode heeft een 100, 000 keer hogere ruimtelijke resolutie dan conventionele methoden. Dit is belangrijk omdat de huidige gelaagde materialen een extreem klein oppervlak hebben (veel kleiner dan een vierkante millimeter).

Designer materialen

Zodra wetenschappers de interactie goed begrijpen, zij kunnen wellicht de volgende stap zetten:"We willen vooraf bepaalde eigenschappen kunnen kiezen en vervolgens de lagen zo opstapelen om het gewenste materiaal te realiseren, ", zegt Sense Jan van der Molen. "Dergelijke designmaterialen zijn het doel op lange termijn."