Het kan dus tóch. Met een techniek waarmee dat onmogelijk werd geacht, hebben fysici van de TU Delft lijntjes en puntjes vervaardigd van slechts enkele nanometers groot. Het TU-logo in nanoletters schrijven, dat zit er nog even niet in.
Je zou haast vergeten wat voor een gepriegel het eigenlijk is, schrijven met afzonderlijke atomen. Structuurtjes van maar een paar nanometer (miljoenste millimeter) klein worden doorgaans gemaakt met een scanning probe-microscoop, een microscoop waarmee je afzonderlijke atomen kunt manipuleren. Leuk voor onderzoek, maar in de industrie kun je er niets mee. De techniek is te langzaam en te gecompliceerd voor grootschalig gebruik. De chipindustrie moet het daarom stellen met wat grovere structuren, van tientallen nanometers groot.
Dr. Kees Hagen en zijn promovendus ir. Willem van Dorp hebben er misschien iets op gevonden. In het vakblad Nanoletters laten ze deze maand zien dat er wel degelijk een handige, snelle manier is om structuren te maken van slechts enkele nanometers doorsnee . tot zelfs tienden van nanometers. Samen met hun collega’s prof.dr.ir. Pieter Kruit en dr. Bob van Someren van de sectie deeltjesoptica en de Amerikaan dr. Peter Crozier, vervaardigden de fysici rijen puntjes van gemiddeld slechts één nanometer breed. Het allerkleinste puntje was zelfs nog kleiner: 0,7 nanometer. Ook trokken de fysici lijntjes van 1,9 nanometer dik, met 3,2 nanometer ruimte ertussen. Stel je een mensenhaar voor zo breed als de Nieuwe Waterweg, en Hagens lijntjes zijn zo dun als een viltstift.
Om hun structuurtjes te bereiden, grepen de onderzoekers naar een bekende techniek: ‘elektronenbundel-geïnduceerde depositie’, kortweg Ebid. Bij Ebid schiet men een straaltje elektronen af op een harde ondergrond. Daardoor wippen er andere elektronen omhoog, die precies genoeg energie hebben om moleculen die op het oppervlak liggen uit elkaar te slaan. Het hoofdbestanddeel van die moleculen klontert vervolgens vast aan de ondergrond en de restanten verdampen, zodat er hoopjes atomen ontstaan.
Tot dusver werd Ebid alleen geschikt geacht om atoombergjes te maken van tientallen nanometers breed. De ‘lijmende’ elektronen zullen wel uit een te groot oppervlak omhoog komen, dachten veel onderzoekers. Maar dat hadden ze mis, zo bleek uit berekeningen die de Delftenaren uitvoerden. Waarvan akte: de puntjes en lijntjes vormen het experimentele bewijs dat het écht kleiner kan dan tien nanometer. “Door onder de tien nanometergrens te duiken hebben we een heel nieuw terrein ontsloten”, zegt Hagen.
Geluk
Hagen en Van Dorp hadden enig geluk. “Anderen die hiermee hebben gewerkt, hebben gewoon te lang atomen gedeponeerd, waardoor hun stippen te breed werden”, zegt Hagen. “Hoe sneller je stopt, des te kleiner de stip die je krijgt.” De Delftenaren beschoten hun ondergrond slechts 50 tot 100 milliseconden met elektronen. Nóg kleiner kan waarschijnlijk ook, verwacht Van Dorp. “In theorie is de ondergrens één atoom.”
Hagen en Van Dorp verwachten veel van Ebid. De techniek is op termijn wellicht bruikbaar om computercircuits een slag kleiner te krijgen: met Ebid zou je extreem fijne ‘mallen’ kunnen maken voor de chipindustrie. Een andere mogelijkheid is dat Ebid wordt gebruikt als ‘lijm’ om bijvoorbeeld DNA-moleculen vast te plakken aan computerchips, of als middel om heel gericht bepaalde chemische reacties aan te zwengelen.
Problemen zijn er ook. Zo hebben de Delftenaren geen idee hoe puur hun nanostructuren eigenlijk zijn. Als ‘schrijfinkt’ gebruikten de onderzoekers een verbinding van wolfraam en CO-groepen, in de hoop dat alleen het wolfraam zou vastplakken. Maar de stipjes kunnen ook best vervuild zijn met atomen koolstof en zuurstof, weet Van Dorp. “Het is een lastig aspect hoe je het puurder kunt maken.”
Een andere hindernis is dat er nog geen apparatuur is om voor dit soort kleine afmetingen Ebid mee te bedrijven. Liefst had Hagen als demonstratie het TU-logo in nanokleine lettertjes geschreven. Maar lijntjes en puntjes zijn vooralsnog het hoogst haalbare, en er zijn in de hele wereld maar drie microscopen waarmee dat kan. De TU werkt momenteel samen met onder meer TNO aan een opstelling die wél met hoge resolutie-Ebid uit de voeten kan. Die wordt naar verwachting over tweeënhalf jaar in gebruik genomen, in de nieuwe Nanofaciliteit die momenteel achter het natuurkundegebouw verrijst. “Dit veld staat nog in de kinderschoenen”, zegt Hagen.
Een rooster puntjes (links) en enkele lijntjes, vervaardigd met EBID. (Van Dorp et al., Nanoletters)
Je zou haast vergeten wat voor een gepriegel het eigenlijk is, schrijven met afzonderlijke atomen. Structuurtjes van maar een paar nanometer (miljoenste millimeter) klein worden doorgaans gemaakt met een scanning probe-microscoop, een microscoop waarmee je afzonderlijke atomen kunt manipuleren. Leuk voor onderzoek, maar in de industrie kun je er niets mee. De techniek is te langzaam en te gecompliceerd voor grootschalig gebruik. De chipindustrie moet het daarom stellen met wat grovere structuren, van tientallen nanometers groot.
Dr. Kees Hagen en zijn promovendus ir. Willem van Dorp hebben er misschien iets op gevonden. In het vakblad Nanoletters laten ze deze maand zien dat er wel degelijk een handige, snelle manier is om structuren te maken van slechts enkele nanometers doorsnee . tot zelfs tienden van nanometers. Samen met hun collega’s prof.dr.ir. Pieter Kruit en dr. Bob van Someren van de sectie deeltjesoptica en de Amerikaan dr. Peter Crozier, vervaardigden de fysici rijen puntjes van gemiddeld slechts één nanometer breed. Het allerkleinste puntje was zelfs nog kleiner: 0,7 nanometer. Ook trokken de fysici lijntjes van 1,9 nanometer dik, met 3,2 nanometer ruimte ertussen. Stel je een mensenhaar voor zo breed als de Nieuwe Waterweg, en Hagens lijntjes zijn zo dun als een viltstift.
Om hun structuurtjes te bereiden, grepen de onderzoekers naar een bekende techniek: ‘elektronenbundel-geïnduceerde depositie’, kortweg Ebid. Bij Ebid schiet men een straaltje elektronen af op een harde ondergrond. Daardoor wippen er andere elektronen omhoog, die precies genoeg energie hebben om moleculen die op het oppervlak liggen uit elkaar te slaan. Het hoofdbestanddeel van die moleculen klontert vervolgens vast aan de ondergrond en de restanten verdampen, zodat er hoopjes atomen ontstaan.
Tot dusver werd Ebid alleen geschikt geacht om atoombergjes te maken van tientallen nanometers breed. De ‘lijmende’ elektronen zullen wel uit een te groot oppervlak omhoog komen, dachten veel onderzoekers. Maar dat hadden ze mis, zo bleek uit berekeningen die de Delftenaren uitvoerden. Waarvan akte: de puntjes en lijntjes vormen het experimentele bewijs dat het écht kleiner kan dan tien nanometer. “Door onder de tien nanometergrens te duiken hebben we een heel nieuw terrein ontsloten”, zegt Hagen.
Geluk
Hagen en Van Dorp hadden enig geluk. “Anderen die hiermee hebben gewerkt, hebben gewoon te lang atomen gedeponeerd, waardoor hun stippen te breed werden”, zegt Hagen. “Hoe sneller je stopt, des te kleiner de stip die je krijgt.” De Delftenaren beschoten hun ondergrond slechts 50 tot 100 milliseconden met elektronen. Nóg kleiner kan waarschijnlijk ook, verwacht Van Dorp. “In theorie is de ondergrens één atoom.”
Hagen en Van Dorp verwachten veel van Ebid. De techniek is op termijn wellicht bruikbaar om computercircuits een slag kleiner te krijgen: met Ebid zou je extreem fijne ‘mallen’ kunnen maken voor de chipindustrie. Een andere mogelijkheid is dat Ebid wordt gebruikt als ‘lijm’ om bijvoorbeeld DNA-moleculen vast te plakken aan computerchips, of als middel om heel gericht bepaalde chemische reacties aan te zwengelen.
Problemen zijn er ook. Zo hebben de Delftenaren geen idee hoe puur hun nanostructuren eigenlijk zijn. Als ‘schrijfinkt’ gebruikten de onderzoekers een verbinding van wolfraam en CO-groepen, in de hoop dat alleen het wolfraam zou vastplakken. Maar de stipjes kunnen ook best vervuild zijn met atomen koolstof en zuurstof, weet Van Dorp. “Het is een lastig aspect hoe je het puurder kunt maken.”
Een andere hindernis is dat er nog geen apparatuur is om voor dit soort kleine afmetingen Ebid mee te bedrijven. Liefst had Hagen als demonstratie het TU-logo in nanokleine lettertjes geschreven. Maar lijntjes en puntjes zijn vooralsnog het hoogst haalbare, en er zijn in de hele wereld maar drie microscopen waarmee dat kan. De TU werkt momenteel samen met onder meer TNO aan een opstelling die wél met hoge resolutie-Ebid uit de voeten kan. Die wordt naar verwachting over tweeënhalf jaar in gebruik genomen, in de nieuwe Nanofaciliteit die momenteel achter het natuurkundegebouw verrijst. “Dit veld staat nog in de kinderschoenen”, zegt Hagen.
Een rooster puntjes (links) en enkele lijntjes, vervaardigd met EBID. (Van Dorp et al., Nanoletters)
Comments are closed.