Honderd manjaar
De term Calipso is een bijna-acroniem, en staat voor ‘Compositional Analysis using Low energy Ions Probing Samples on the Outside’. De groep van Brongersma heeft honderd manjaar gestoken in het apparaat dat nu staat te te glanzen in een zaal die door de architect Bert Staal in een opvallend jasje is gestoken. De kamer van Brongersma weerspiegelt de vele jaren werk die het project heeft gekost: de boekenkasten zijn gevuld met mappen die verwijzen naar het project LEIS: lage-energie-ionen-verstrooiing. En het resultaat mag er zijn: de Calipso kan met een ongeëvenaarde nauwkeurigheid het oppervlak onderzoeken van elk willekeurig voorwerp. Brongersma claimt dat het apparaat dat zijn vakgroep in nauwe samenwerking met de CTD heeft ontwikkeld, 300 tot 1000 maal gevoeliger metingen aan oppervlakken kan verrichten dan andere vergelijkbare apparaten.
Maar wat hebben dergelijke metingen voor nut? Brongersma: ‘De atoomstructuur van het oppervlak van een stof verschilt meestal totaal van wat we de bulk van de stof noemen. Wie een aantal atoomlagen in een stof afdaalt, zal daar altijd dezelfde structuren tegenkomen. Aan het oppervlak daarentegen is er van alles aan de hand. De wetenschap en de industrie zijn erg geïnteresseerd in de eigenschappen van het oppervlak van een stof. Daar spelen zich processen af als corrosie, hechting en katalyse. De samenstelling van het oppervlak bepaalt in hoge mate het verloop van dat soort processen.’
Er is een aantal methoden ontwikkeld waarmee het oppervlak van een stof verkend kan worden. Ze zijn samengevat onder de naam LEIS. Wereldwijd zijn er volgens Brongersma wel vijftig groepen bezig met het onderzoek, waarbij het oppervlak van een bepaalde stof gebombardeerd wordt met lage-energie-ionen. Groot nadeel van deze techniek is het feit dat de te onderzoeken stof nogal aangetast wordt door het onderzoek. Dat is natuurlijk lastig als je bepaalde eigenschappen wilt onderzoeken. Bij een tweede onderzoek moet je al meteen de schade betrekken die als bijverschijnsel van het eerste onderzoek is opgetreden. ‘We hebben gezocht naar een methode die zo weinig schade oplevert, dat ik het onderzoek desgewenst vele malen kan herhalen, aldus Brongersma, ‘en dat is gelukt.’
Conische vorm
In het kort komt het onderzoek dat Brongersma toepast op een stof op het volgende neer. De Calipso schiet ionen van edelgassen, zoals helium en neon, af op het oppervlak van een stof. Edelgassen hebben sterk de neiging hun elektronen ‘vast te houden’. Dat betekent dat ze een grote kans tot neutralisatie hebben, wanneer ze dieper dan de eerste atoomlaag doordringen in een stof. Wanneer ze geneutraliseerd zijn, zullen ze door detectieapparatuur niet langer worden waargenomen. Ionen die na een botsing terugkaatsen en wél worden waargenomen, zullen in de regel maar één botsing met een atoom hebben gehad. Na een botsing met het oppervlak van een bepaalde stof kaatsen de ionen alle kanten op. Het is nu zaak om zoveel mogelijk variabelen uit te schakelen om eenduidige gegevens te krijgen. De ionen die terugketsen worden maar voor een deel door de detectieapparatuur van de Calipso opgevangen. De ruimte -zeg maar het ‘biljart’ waarin de ionen afgeschoten op het te onderzoeken oppervlak- heeft een conische vorm. De ionen die onder een hoek van 35 graden ten opzichte van de schietrichting terugketsen worden door de Calipso gesignaleerd, de andere -de ionen die ‘caramboleren’- niet. De ionen die met die bepaalde hoek terugkaatsen worden door een soort sluis geleid, waarachter zich de detectieapparatuur bevindt.
De belangrijkste variabele die hiermee overblijft is de massa van het atoom waar het ion tegenaan ketst. Afhankelijk van de massa van dat atoom zal het ion met een geringe dan wel grotere snelheid bij de detectieapparatuur aankomen. Om even terug te komen op de biljartbal-metafoor: hoe groter de massa van de aangeraakte biljartbal, des te harder de terugkaatsing van de andere bal -het ion dus- zal zijn. Hier gaat de vergelijking met biljarten natuurlijk mank: op een biljart liggen alleen ballen met dezelfde massa. Maar bij een botsing met een grote massa zoals bij spelen via de band, verliest de biljartbal natuurlijk geen snelheid.
Vacuüm
De detectieapparatuur is het eigenlijke hoogstandje van de vakgroep van Brongersma en de CTD. Deze bestaat uit een aantal glazen platen met daarin een zeer grote hoeveelheid kanalen. De ionen stromen door deze kanalen heen, waarbij ze elektronen genereren. Vervolgens komen die op een tweedimensionale detector terecht, waarmee de energieverdeling uitgelezen kan worden. Deze elektronen zorgen voor een spectrum, waarmee Brongersma kan bepalen met welk type atomen de ionen in aanraking zijn geweest. De duur van het spectrum bepaalt de hoeveelheid atomen, de plaats waarin de piek op een bepaalde schaal optreedt bepaalt de soort.
‘Door de eigenschappen van de helium-ionen weet ik zeker dat ik informatie heb over de buitenste atoomlaag’, aldus Brongersma. ‘Door de gevoelige detectieapparatuur kan ik vervolgens heel nauwkeurig bepalen hoe die buitenste atoomlaag er uitziet. Helium heeft bijna de geringste massa van alle atomen. De snelheid waarmee het helium-ion terugkomt is bepalend voor de stof waar het tegenaan gebotst is. Aan de hand van een tabel kan ik op eenvoudige wijze het spectrum interpreteren en bepalen om welk soort atoom het gaat. En ik kan ook nauwkeurig bepalen wat het percentage koolstofatomen is aan het oppervlak, het percentage silicium, enzovoorts. De enige stof die we niet kunnen waarnemen is waterstof, omdat dat lichter is dan helium. Een helium-ion dat tegen waterstofatoom aanbotst, keert niet terug.’
Er is ook een inherent nadeel aan de de onderzoekmethode die Brongersma hanteert. De detectieapparatuur is extreem gevoelig, dus ook gevoelig voor verontreiniging, zij het dat dat natuurlijk de werkelijkheid van het oppervlak weerspiegelt. Bovendien dient het biljarten in vacuüm te gebeuren. Overigens geldt dat voor de meeste analysetechnieken voor oppervlakken.