Wetenschappers van de Technische Universiteit van Wenen is het gelukt bepaalde lagen materiaal precies te perforeren en andere volledig onaangeroerd laten. De nieuwe techniek kan leiden tot nieuwe manieren van data-opslag.
Bij de nieuwe techniek wordt gebruik gemaakt van ionen. Ze kunnen worden gebruikt om de oppervlakken van nieuwe, ultradunne 2D-materiaalsystemen selectief te verwerken. Op deze manier kunnen bepaalde metalen die dan als katalysator dienen, worden verankerd.
“We hebben een combinatie van grafeen en molybdeendisulfide onderzocht”, zegt Dr. Janine Schwestka van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Technische Universiteit van Wenen. “De twee materiaallagen worden met elkaar in contact gebracht en vervolgens aan elkaar gehecht door zwakke ‘VanderWaalskrachten’.
Ultradunne lagen
Materialen die bestaan uit meerdere ultradunne lagen worden beschouwd in het materiaalonderzoek als een gebied met veel potentie. Sinds de productie van het hoogwaardige materiaal grafeen – dat slechts uit één enkele laag koolstofatomen bestaat – zijn er steeds weer nieuwe dunne-filmmaterialen ontwikkeld. En deze hebben vaak veelbelovende nieuwe eigenschappen.
Bovendien moet voor bepaalde toepassingen de geometrie van het materiaal op een schaal van nanometers specifiek worden verwerkt bijvoorbeeld om de chemische eigenschappen te veranderen door extra soorten atomen toe te voegen. Of om de optische eigenschappen van het oppervlak te controleren.
“Er zijn verschillende methoden voor dit,” legt Janine Schwestka uit, “je kunt de oppervlakken veranderen met een elektronenbundel of met een conventionele ionenbundel. Bij een tweelaags systeem heb je echter altijd het probleem dat de straal beide lagen tegelijk verandert, ook al wil je eigenlijk maar één ervan verwerken.
Twee soorten energie
Wanneer een oppervlak wordt behandeld met een ionenbundel, verandert de kracht van de inslag van de ionen normaal gesproken het materiaal. Aan de Technische Universiteit van Wenen werden echter relatief langzame ionen gebruikt, maar ze werden meerdere keren elektrisch geladen.
“Je moet hier onderscheid maken tussen twee verschillende vormen van energie”, legt prof. Richard Wilhelm uit. “Aan de ene kant is er de kinetische energie, die afhankelijk is van de snelheid waarmee de ionen het oppervlak raken. Aan de andere kant de potentiële energie, die wordt bepaald door de elektrische lading van de ionen. Bij conventionele methoden was de kinetische energie doorslaggevend, maar voor ons is vooral de potentiële energie van belang.
Het essentiële verschil: Terwijl de kinetische energie in beide lagen van het materiaal vrijkomt bij het doordringen van het lagensysteem, kan de potentiële energie zeer ongelijkmatig over de lagen worden verdeeld: “Het molybdeendisulfide reageert zeer sterk op de sterk geladen ionen,” zegt Richard Wilhelm. “Een enkel ion dat bij deze laag aankomt, kan tientallen of honderden atomen uit de laag verwijderen. Wat overblijft is een gat, dat heel duidelijk te zien is onder een elektronenmicroscoop.” De grafeenlaag daarentegen, die het projectiel direct daarna raakt, blijft intact: het grootste deel van de potentiële energie is al vrijgemaakt.
Nieuwe manieren van dataopslag denkbaar
Schwestka beschrijft ook mogelijke toepassingsgebieden: “Grafreen is een zeer goede geleider, molybdeendisulfide is een halfgeleider, en de combinatie kan bijvoorbeeld interessant zijn voor de vervaardiging van nieuwe soorten van dataopslag.
Overigens kan hetzelfde experiment ook omgekeerd worden, zodat het sterk geladen ion eerst het grafeen raakt en pas daarna de molybdeendisulfidelaag. In dit geval blijven beide lagen intact: het grafeen voorziet het ion van de elektronen die het nodig heeft om het in een fractie van een seconde elektrisch te neutraliseren. De mobiliteit van de elektronen in het grafeen is zo hoog dat het inslagpunt ook meteen “afkoelt”. Het ion doorkruist de grafeenlaag zonder een permanent spoor achter te laten. Daarna kan het niet meer veel schade aanrichten in de molybdeendisulfidelaag.
“Dit biedt ons nu een prachtige nieuwe methode voor het gericht manipuleren van oppervlakken”, zegt Richard Wilhelm. “We kunnen nano-poriën inbrengen in oppervlakken zonder het onderliggende dragermateriaal te beschadigen. Dit stelt ons in staat om geometrische structuren te creëren die voorheen onmogelijk waren.” Op deze manier zou je “maskers” kunnen maken van exact naar wens geperforeerde molybdeendisulfide, waarop vervolgens bepaalde metaalatomen precies in de gaten worden afgezet. Dit opent volledig nieuwe mogelijkheden om de chemische, elektronische en optische eigenschappen van het oppervlak te controleren.
De nieuwe methode is onlangs gepubliceerd in het technisch tijdschrift „ACS Nano“