Om eerst maar een mogelijk misverstand uit de weg te ruimen: Erwin Kessels maakt zelf geen koolstof nanobuisjes. Toch noemde hij de illustere nanobuisjes vorige week bij de bekendmaking van zijn Vici-subsidie als voorbeeld van de kloof tussen nano-onderzoek in het lab en de industriële toepassing van de onderzoeksresultaten in bijvoorbeeld computerchips. “Tijdschriften als Nature en Science staan vol met allerlei mooie devices die ze in het lab maken met koolstofbuisjes, maar er is veel minder aandacht voor de vraag of deze prachtige vindingen ook daadwerkelijk kunnen worden toegepast. Het is überhaupt de vraag of de nanobuisjes hun belofte wel zullen waarmaken.” Tegenwoordig staat grafeen -een andere vorm van elektrisch geleidende koolstof- namelijk meer in de belangstelling, zegt hij. Zie daar de gapende afgrond tussen theorie en praktijk, of liever: tussen onderzoekslab en fabriek.

Kessels, met zijn 36 jaar al universitair hoofddocent in de vakgroep Plasma & Materials Processing van de faculteit Technische Natuurkunde, begeeft zich al jaren in de relatieve leegte tussen fundamenteel onderzoek en industriële toepassing. De zojuist veroverde Vici-subsidie van anderhalf miljoen euro moet hem helpen zijn voornaamste expertise, atoomlaagdepositie (het opdampen van ultradunne laagjes van soms slechts enkele atoomlagen dik), om te zetten in nuttige applicaties. Niet dat het bij Kessels ontbreekt aan voeling met de praktijk: hij werkt al intensief samen met diverse bedrijven, waaronder de Brabantse fabrikant van elektronenmicroscopen, FEI, en de Duitse zonnencellenfabrikant Q-Cells. “De Vici stelt me eigenlijk vooral in staat om meer aandacht te besteden aan de fundamentele kant van het onderzoek, die in de samenwerking met bedrijven toch minder aan bod komt. Je moet er namelijk voor oppassen dat je niet terugvalt naar een soort trial-and-error-onderzoek. Bovendien kun je de meeste vindingen uit het lab niet zomaar opschalen. Dat vereist nog wel een innovatiestap, en daarvoor moet je precies weten hoe alles werkt. Daar is nog heel veel kennis voor nodig.”

Het Vici-voorstel van Kessels bevat een drietal onderzoekslijnen, grofweg gericht op computerchips, zonnecellen en computergeheugen. In het eerste geval gaat het om een nieuwe methode om elektrisch geleidende lijnenpatronen -zoals je die vindt op computerchips- aan te brengen op een oppervlak. Nu gebeurt dat lithografisch: het patroon wordt via een masker op een siliciumchip afgebeeld, waarna het materiaal rond het patroon wordt weggeëtst. Deze zogeheten top-down-methode loopt tegen zijn grenzen aan. De komende generatie lithografiemachines haalt lijnbreedtes van zo’n dertig nanometer, maar de vooruitgang -naar steeds dunnere lijnen en dus kleinere chips- gaat wel steeds moeizamer.

Meer toekomst zit dan ook in het omgekeerde proces: bottom-up, waarbij de lijnen direct op de ondergrond worden aangebracht. Kessels: “Met een elektronenbundel kun je direct een patroon schrijven met platina, electron beam-induced deposition heet dat. De elektronenmicroscopen van FEI kunnen dat, maar de platinalijnen die zo ontstaan, geleiden heel slecht doordat er veel koolstofverontreiniging in zit. Het is ons gelukt om die lijnenstructuur met atoomlaagdepositie selectief aan te dikken met zuiver platina, waardoor een goed geleidende structuur ontstaat.” Zo combineerde Kessels de voordelen van het schrijven met een elektronenbundel (waarmee je heel dunne lijnen kunt maken) met atoomlaagdepositie (waarmee je nauwkeurig de samenstelling en dikte van een laagje materiaal kunt controleren). “Het lijkt mij niet onrealistisch om dit proces op te schalen naar de siliciumplakken waarop chips nu worden gemaakt.”

Ook met de tweede onderzoekslijn is Kessels al goed op weg. Met zijn toenmalige promovendus dr.ir. Bram Hoex -inmiddels hoofd van een zonnecellab in Singapore- ontdekte hij enkele jaren geleden dat een dun laagje aluminiumoxide de efficiëntie van silicium zonnecellen verhoogde. Door de industrie werd in eerste instantie lauw gereageerd op de ontdekking. “Het is soms best lastig om industriële partners te overtuigen van de mogelijkheden die onze vindingen bieden. Men dacht dat atoomlaagdepositie nooit kon worden opgeschaald tot industrieel niveau.” Dat veranderde toen Hoex een zonnecel maakte -met het bewuste laagje uiteraard- die alle rendementrecords brak. “Opeens stond de zonnecelwereld op zijn kop en kregen we van alle kanten aanbiedingen. We zijn nu bezig met de grote Duitse fabrikant Q-Cells en ik heb goede hoop dat zonnecellen met zo’n laagje op de markt komen. Het aluminiumoxide kan het rendement met ruim een procentpunt verhogen. Een procent lijkt weinig, maar verbetering van een tiende procent kan al reden zijn om het fabricageproces om te gooien. Als het productieproces er niet duurder van wordt, is dat al rendabel.”

Hoewel atoomlaagdepositie volgens Kessels nog maar mondjesmaat op industriële schaal wordt toegepast, is het vakgebied volop in beweging. De nieuwste generatie chips van Intel bevatten componenten met dunne laagjes hafniumoxide, aangebracht met atoomlaagdepositie. Daarnaast is men op allerlei plekken ter wereld op zoek naar nieuwe materialen voor werkgeheugen, de derde onderzoekslijn. “Zelfs voor mensen in het vakgebied is het moeilijk in te schatten wat er precies gaande is”, zegt Kessels. “Bedrijven spelen niet snel open kaart. Het onderzoek komt wel in de vakbladen terecht, maar wat daar vervolgens mee wordt gedaan, is minder duidelijk.” Nanotechnologie is per slot van rekening een vakgebied met enorme financiële belangen, die alleen maar groter worden. “Over de industrieel echt interessante ontdekkingen lees je waarschijnlijk juist niets terug, die houden ze zo lang mogelijk geheim. Maar dat is ook wel een leuk spel.” (TJ)/.