Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Interacties blootgelegd in designermaterialen

Grafeen en andere laagjesmaterialen vormen samen compleet nieuwe stoffen. Leidse natuurkundigen leggen de basisregels vast voor het ontwerpen van zulke materialen door te meten hoe de lagen in een stapel met elkaar wisselwerken. Publicatie op 29 november in Nature Communications.

De bijzondere eigenschappen van grafeen—een enkel laagje koolstofatomen—worden wereldwijd bejubeld. Grafeen is niet alleen interessant vanuit fundamenteel natuurkundig oogpunt; het houdt ook een grote belofte in voor nieuwe toepassingen, zoals flexibele beeldschermen en zonnecellen. Maar wetenschappers zijn niet snel tevreden. De jacht is geopend op een nieuwe generatie materialen: stapels van individuele laagjes ‘platte’ stoffen zoals boornitride (BN), grafeen (C) of wolfraamdisulfide (WS2).

Som der delen

De truc is dat zo’n spekkoek niet slechts de som der delen is. Je kunt zomaar totaal andere eigenschappen krijgen dan die van de losse laagjes. Dat geldt zelfs voor lagen van dezelfde soort; een grafeen dubbellaag lijkt op geen enkele manier op zijn broertje van één laag. Het hangt er helemaal vanaf hoe de lagen met elkaar wisselwerken. Leids natuurkundige Sense Jan van der Molen en zijn groep hebben een methode ontwikkeld om de spelregels te achterhalen. Ze kunnen nu de interactie uitvinden tussen de lagen in elke combinatie van materialen.

LEEM

Met een techniek genaamd Low-Energy Electron Microscopy (LEEM) schijnen ze elektronen met zeer lage energieën op een sample. Voor elk energieniveau nemen ze een foto van het oppervlak, waar ze uit afleiden hoeveel elektronen zijn teruggekaatst. Dit geeft ze alle benodigde informatie om de interactie tussen de lagen te bepalen en daarmee de eigenschappen van het nieuw gecreëerde materiaal. Hun methode legt details bloot met een 100.000 maal hogere resolutie dan andere technieken. Dit is essentieel omdat nanomaterialen typisch extreem klein zijn—minder dan de dikte van een haar.

Op maat

‘We hebben met onze methode bewezen dat boornitride en grafeen niet met elkaar wisselwerken, zoals tot nu alleen werd aangenomen,’ zegt eerste auteur en Veni-fellow Johannes Jobst. ‘Maar nog belangrijker: het toont de potentie van de nieuwe techniek. Nu kunnen we elke andere combinatie van lagen bestuderen, zoals halfgeleiders op grafeen, of twee verschillende halfgeleiders. En als we eenmaal begrijpen hoe die interactie werkt, kunnen we vrijuit materialen ontwerpen die op maat zijn gemaakt voor specifieke behoeftes.’

Johannes Jobst is genomineerd voor Ontdekker van het Jaar op de bètafaculteit van de Universiteit Leiden

Publicatie

Johannes Jobst, Alexander J.H. van der Torren, Eugene E. Krasovskii, Jesse Balgley, Cory R. Dean, Rudolf M. Tromp and Sense Jan van der Molen, ‘Quantifying electronic band interactions in van der Waals materials using angle-resolved reflected-electron spectroscopy’, Nature Communications

 

Leidse natuurkundigen bestuderen met een nieuwe techniek stapels laagjesmaterialen. Ze kunnen nu de vraag beantwoorden of een gegeven stapel van diverse materialen andere eigenschappen heeft dan die van de individuele lagen, door de interactie te doorgronden tussen de lagen. Ze testten hun methode door te verifiëren dat grafeen (grijs) sterk wisselwerkt met grafeen, en boornitride (paars) sterk wisselwerkt met boornitride, terwijl grafeen niet wordt beïnvloedt door de aanwezigheid van boornitride. Rechtsboven zien we het resulterende materiaal: nieuwe eigenschappen (tinten) voor de combinatie grafeen + grafeen  en voor boornitride + boornitride, maar geen wisselwerking tussen grafeen en boornitride. Rechtsonder zien we de hypothetische toestand waarin alle lagen wisselwerken om een compleet nieuw materiaal te vormen. Dat is niet het geval in dit voorbeeld.