Onderzoek

“Een dag lang naar één atoom kijken”

Nanotechnologie/Merijn van den Berg
Foto/Bart van Overbeeke

De nieuwe lage-temperaturen Scanning Tunneling Microscope bij Technische Natuurkunde.

Het onderzoek in Nederland op het gebied van nanotechnologie heeft een flinke steun in de rug gekregen met de subsidie van 95 miljoen euro voor NanoNed. In dit consortium werken universiteiten en bedrijven samen om op de korte termijn van vijf jaar concrete resultaten te produceren. De TU/e is één van de deelnemers aan NanoNed. Maar wat is nanotechnologie eigenlijk en welk onderzoek vindt er in dit kader plaats aan de TU/e? Cursor vroeg het aan vier experts.

“Nanotechnologie is technologie met kritieke afmetingen tussen één en honderd nanometer, wat ongeveer overeenkomt met twee tot tweehonderd atoomlagen”, zegt prof.dr. Huub Salemink, hoogleraar halfgeleiderfysica en NanoNed-coördinator aan de TU/e. “Het is veel breder dan alleen ict, het is ook natuurkunde, scheikunde en life sciences. Aan de TU/e wordt nanotechnologie vooral bedreven bij de faculteiten Scheikundige Technologie en Technische Natuurkunde en in mindere mate bij Elektrotechniek, Biomedische Technologie en Werktuigbouwkunde.”
“De TU/e is sterk in materiaalonderzoek”, zegt prof.dr. Wim de Jonge, decaan van de faculteit Technische Natuurkunde en groepsleider van de groep Fysica van Nanostructuren (FAN). “We zijn goed in het maken van nieuwe materialen en het op atomair niveau manipuleren om de gewenste functionele eigenschappen te bereiken. De TU/e is breed, ze werkt behalve aan halfgeleiders ook aan polymeren, organische moleculen, metalen en isolatoren.” Volgens De Jonge is er een bloeiende samenwerking tussen de eerder genoemde faculteiten op het gebied van nanotechnologie. “De faculteiten Natuurkunde en Scheikunde hebben zeer veel met elkaar te maken, bijvoorbeeld in het Centrum voor NanoMaterialen (cNM) waarin we over de faculteitsgrenzen heen samenwerken. Er zijn geen eilandjes en zeker niet op dit gebied.”

Latex bolletjes
De TU/e neemt deel in NanoNed met de onderzoeksgebieden nano-fotonica en nano-spintronica, voor respectievelijk optische en magnetische toepassingen. Daarmee is een groot deel van het nanotechnologie-onderzoek van de universiteit vertegenwoordigd. Maar er gebeurt meer, ook buiten NanoNed om. De onderzoeksgroep Emulsiepolymerisatie van prof.dr. Alex van Herk bestudeert de groei van polymeerketens waarbij de monomeren (de ‘groeistof’) eerst met ultrasoon geluid, elektronen of licht worden bestookt. Van Herk, tevens opleidingsdirecteur van Scheikundige Technologie, schetst de situatie in onderzoeksland als moderne nanotechnologie versus ouderwetse nanotechno-logie. “De moderne nanotechnologie is zeer fundamenteel, werkt op atoom- of molecuulschaal en staat ver van bulktoepassingen af. Want hoe krijg je met ‘single molecule’ manipulatie ooit een kilogram materiaal?” Daartegenover staat de ouderwetse nanotechnologie waaraan Van Herk werkt: latexbolletjes van minder dan honderd nanometer en voorzien van een chemisch huidje. De belangrijkste grootschalige toepassing is in coatings. De bolletjes vinden verder hun toepassing in polystyreen waarmee zeer dunne en toch relatief sterke, flexibele koffiebekertjes gemaakt kunnen worden. Maar ook autobumpers bevatten deze bolletjes, zodat de bumper schokken kan opvangen en niet scheurt. “Het vakgebied emulsiepolymerisatie bestaat al jaren. Er is veel steun van de industrie voor dit type onderzoek, onder andere tot uiting komend in de Stichting Emulsiepolymerisatie, waarmee zo’n twintig grote bedrijven ons onderzoek sponsoren”, zegt Van Herk.

(R)evolutie
Salemink ziet de ontwikkelingen in de nanotechnologie eerder als evolutie versus revolutie, of top-down versus bottom-up. “Nanotechnologie is nog sterk gerelateerd aan IC-technologie. Die industrie werkt top-down: bestaande structuren steeds verder verkleinen en nieuwe structuren bedenken om het nog kleiner te maken. Deze werkwijze is voor een groot deel gebaseerd op bestaande technologie en begripsvorming. Hoe dun kan gate oxide (één van de kritische parameters van een transistor, -red.) in een transistor worden? Nu is vier of vijf nanometer vrij normaal, dat is acht tot tien atoomlagen dik. Als je dit nog verder wilt verkleinen, loop je tegen fundamentele problemen aan. De spreiding in laagdikte neemt relatief toe, één atoomlaag meer of minder is nu al tien procent verschil. De roadmap (verkleiningsstrategie, -red.) van IC-fabrikanten loopt om deze reden op termijn vast. Een volgende stap kan zijn het manipuleren van individuele atomen, de bottom-up benadering: van atoomniveau naar transistorniveau. Dit is nu vooral nog conceptontwikkeling en het is de vraag of massaproductie met dit soort technieken haalbaar is. Hierbij speelt chemische technologie een rol, bijvoorbeeld met het maken van macromoleculaire structuren met losse atomaire of moleculaire blokjes. Tweedimensionaal wordt dit al gedaan, door atoomlaag voor atoomlaag ‘op te smeren’. Nanotechnologie betekent driedimensionaal sleutelen aan moleculen.”
Behalve NanoNed-coördinator is Salemink ook trekker van het ‘vlaggenschip’ nano-fotonica. Daar brengt hij de top-down methode in de praktijk voor het maken van nanostructuren in optische golfgeleiders. Met traditionele halfgeleiderproductietechnieken maakt zijn groep optische kristalstructuren. Eerst groeien de fysici een aantal laagjes met verschillende brekingsindices tot een lagenpakket waartussen het licht in verticale richting is opgesloten. Door gaatjes van driehonderd nanometer doorsnede te etsen in dit lagenpakket, ontstaan lichtverstrooiende ‘paaltjes’ haaks op de golfgeleider: een tweedimensionale tralie die het licht verstrooit of om een bocht geleidt. Daarmee kan een compacte optische schakelaar of een sensor voor vloeistofstroming worden gemaakt.
Prof.dr. Bert Koopmans hanteert de bottom-up methode als captain van het ‘vlaggenschip’ nano-spintronica. Met een scanning tunnelling microscope (STM) of een atomic force microscope (AFM) schuift hij enkele atomen door een metaalrooster. Beide technieken zijn in eerste instantie ontworpen om op atomair niveau mee te kijken, maar ze zijn verder ontwikkeld om al even nauwkeurig mee te manipuleren. De apparatuur wordt met vloeibaar helium gekoeld tot 4 °K (-269 °C) om de bewegingen van de atomen te bevriezen. Bij kamertemperatuur bewegen de atomen teveel. Koopmans: “Bij een temperatuur van 4 °K kun je een dag lang naar één atoom kijken”.
De fysicus onderzoekt vooral magnetische multi-lagen en het daarbij optredende ‘reusachtige magnetoweerstandseffect’ (GMR). In een GMR lagenpakket is de elektrische weerstand zeer sterk afhankelijk van de sterkte van het magneetveld. Dit effect is in 1988 ontdekt en wordt nu al volop toegepast in leeskoppen van harde schijven voor computers. De wetenschappers aan de TU/e kijken naar nieuwe mogelijkheden om GMR toe te passen in magnetische sensoren en magnetische dataopslag. Een toepassing is bijvoorbeeld een magnetisch geheugen (MRAM), bestaande uit een geïntegreerd rooster van nano-gestructureerde magnetische elementjes, die langs elektrische weg geschakeld en uitgelezen kunnen worden. Een geheel nieuwe lijn betreft het onderzoek aan het zo snel mogelijk schakelen van de magnetische nano-elementjes. Hiervoor wordt een nieuwe techniek ontwikkeld, waarbij ultrakorte laserflitsjes van minder dan een picoseconde (biljoenste seconde) worden gebruikt.”

Openheid
Nanotechnologie staat volop in de aandacht, maar niet alleen in positieve zin. Tegenstanders roeren zich met visioenen over zelfreplicerende robotjes en andere science fiction. Volgens Van Herk hebben de wetenschappers dit mede aan zichzelf te danken. “Onderzoekers en bedrijven hebben bewust een hype gecreëerd om geld en aandacht te krijgen. Nu moeten ze veel werk verrichten om de ontstane angst te ontkrachten dan wel te relativeren.” De Jonge en Salemink vinden openheid zeer belangrijk. “Als we op de wilde ideeën en fantasieën alleen maar reageren met te zeggen ‘dat kan niet’, maken we mensen achterdochtig”, aldus De Jonge. “We moeten zo veel mogelijk vertellen wat wel kan en waar de grenzen liggen.” Salemink wijst op ervaringen met eerdere technische revoluties: “We kunnen lering trekken uit de ongelukkige gang van zaken rond de discussie omtrent genetisch gemanipuleerde gewassen”. Om alvast een voorschot te nemen op de openheid, benadrukt hij dat NanoNed een realistisch initiatief is en geen science fiction bedrijft. “We onderzoeken geen nanorobots of zelfreproducerende machines. NanoNed moet in vijf jaar tijd een zichtbare bijdrage leveren en nanorobots zijn dat niet. Daarom doen bedrijven als Philips en ASML ook mee, die zijn niet geïnteresseerd als het niet binnen afzienbare tijd iets oplevert.”/.