Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Foutloze grafeen-coatings maken

Grafeen, het slechts één koolstofatoom dunne wondermateriaal, belooft prachtige toepassingen als slijtvaste, wrijvingsloze coating. Maar dan moet men de productie van grote stukken grafeen nauwkeurig onder controle kunnen houden. Dirk van Baarle onderzocht op atomaire schaal hoe grafeen aangroeit en wat de wrijving met andere materialen bepaalt. Promotie 29 november.

Voorspelbare kwaliteit

Een vrijwel perfect wrijvingloze, slijtvaste coating zou in machines enorme besparingen aan brandstof en onderhoud kunnen opleveren. In de nano-technologie zou zo'n coating waarschijnlijk ook toepassingen vinden die nu nog niet te voorzien zijn. In zijn promotieonderzoek onderzocht Dirk van Baarle een kandidaat voor zo'n coating, grafeen. Van Baarle: 'Het is nogal een uitdaging, om grafeen met een voorspelbare kwaliteit te leveren.'

Grafeen is alleen supersterk als het 'kippengaas' van koolstofatomen waaruit het bestaat perfect regelmatig gevormd is. Maar met de huidige productiemethoden bestaat een vel grafeen in de praktijk altijd uit een lappendeken van kleine stukjes die aan elkaar gegroeid zijn. Van Baarle kon bijna per koolstofatoom live bekijken hoe eilandjes van grafeen naar elkaar toe en aan elkaar vast groeien, en hoe dit proces wordt beïnvloed door de temperatuur en de ondergrond. Dat is de eerste stap op weg naar een productiemethode om grotere, foutloze vellen grafeen te maken.

Kippengaaspatroon

Grafeen ontstaat spontaan als een zeer schoon oppervlak van het edelmetaal iridium bij ongeveer zevenhonderd graden Celsius in aanraking komt met ethyleen (C2H4, een koolstofhoudend gas). De gasmoleculen vallen op het hete oppervlak uit elkaar, de koolstofatomen blijven achter en vormen spontaan een netwerk van verbonden zeshoeken, een kippengaaspatroon.

Van Baarle gebruikte voor zijn onderzoek een uniek instrument in het Huygens – Kamerlingh Onnes Laboratorium, de VT-STM (Variable Temperature Scanning Tunneling Microscope). Deze bestaat uit een minuscuul naaldje met een punt die slechts enkele atomen dik is. Daarmee kun je systematisch een oppervlak zo nauwkeurig 'aftasten' (eigenlijk meet men het elektrische stroompje tussen punt en oppervlak) dat zelfs individuele atomen te onderscheiden zijn. Het Leidse instrument is uniek omdat het dit kunststukje ook bij hoge, en wisselende temperaturen kan doen.

Opmerkelijk is, dat niet alleen in de aangroeiende laag grafeen atomaire processen optreden. In de praktijk zal het oppervlak van het iridium niet perfect evenwijdig lopen met de atoomlagen in de ondergrond. Het iridium vormt dan aan het oppervlak brede traptreden, waar het grafeen overheen groeit. Maar die traptreden kunnen onder het grafeen door aangroeien of zich terugtrekken, doordat iridiumratomen uit de ondergrond zich herschikken. Ook dit proces zal men nauwkeurig moeten beheersen om perfecte vellen grafeen te laten groeien.

Contactpunten

In het theoretisch gedeelte van zijn proefschrift ontwikkelde Van Baarle een model hoe wrijving op atomair niveau werkt. Als twee oppervlakken langs elkaar schuiven, zijn de echte contactpunten slechts nanometers groot, enkele atomen. De wrijving blijkt maximaal als de stijfheid van die nano-uitsteeksels middelmatig is: niet te slap, maar ook niet te stug.

Van Baarle: 'Een collega van mij is nu bezig om met lithografie (de techniek die ook gebruikt wordt voor computerchips) een object te bedekken met nanonaaldjes. Deze naaldjes hebben een verschillende stijfheid, afhankelijk van de richting waarin ze verbuigen. Daardoor is de wrijving van dit oppervlak in verschillende richtingen verschillend.' Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn voor een coating op een draaiende as, omdat die niet zijdelings mag bewegen.

'Intern gebruiken we in onze apparatuur al grafeen coatings om wrijving te verminderen zonder smeermiddelen,' zegt van Baarle. 'Het heeft ook al geresulteerd in een patent en een start-up, Applied Nanolayers. Geen wonder dat onze professor, Joost Frenken, al eens een valorisatieprijs gewonnen heeft.'