Halfgeleiders zijn materialen die qua elektrische eigenschappen precies in het gat tussen geleiders en isolators vallen. Waar geleiders zich al snel gewonnen geven en isolators hardnekkig weerstand blijven bieden, hangt het voor halfgeleiders van de omstandigheden af of ze bereid zijn elektronen door zich heen te laten stromen. In transistors wordt die eigenschap benut: deze elektrische schakelaartjes van halfgeleidermateriaal geleiden, afhankelijk van de aangeboden stuurspanning, wel of geen stroom.

Vanwege deze flexibiliteit spelen halfgeleiders, met silicium als voornaamste exponent, een steeds belangrijkere rol in onze maatschappij. De volledige elektronica-industrie draait op computerchips met (silicium)transistors en ook de meest gebruikte zonnecellen zijn gemaakt van dit halfgeleidermateriaal.

Toch is zuiver silicium eigenlijk helemaal geen bruikbare halfgeleider. Pas als je silicium ‘verontreinigt’ met atomen van een ander element, komt er ruimte voor elektronen in het materiaal om van atoom naar atoom te springen: het materiaal geleidt dan stroom.

De onderzoeksgroep rond prof.dr. Paul Koenraad, Photonics and Semiconductor Nanophysics, is gespecialiseerd in het manipuleren van deze ‘vreemde’ atomen in halfgeleiders, om zo materialen met nuttige eigenschappen te creëren.

Het klinkt niet erg positief, maar door deze halfgeleiders te ‘verontreinigen’ met een kleine hoeveelheid ‘onzuiverheden’ -in de vorm van zorgvuldig geselecteerde atomen- kun je essentiële eigenschappen van het materiaal aanpassen, zodat ze bijvoorbeeld net iets beter, of juist net iets minder goed geleiden, of licht met de gewenste kleur uitzenden. Koenraad: “De siliciumstructuren in computerchips zijn inmiddels zo klein geworden dat zelfs een enkele onzuiverheid, één vreemd atoom, al invloed kan hebben op de geleiding in zo’n transistor. Je kunt zo’n atoom dus echt als schakelelement gebruiken in elektrische of optische schakelingen. En wij zijn met microscopietechnieken in staat om deze vreemde atomen af te beelden en te manipuleren.”

Koenraad werkt veel met galliumarsenide (GaAs), een zogeheten III-V-halfgeleider. “Dat zijn materialen opgebouwd uit een element uit de derde kolom, en een uit de vijfde kolom van het periodiek systeem. Met deze III-V-materialen kun je licht opwekken, vandaar dat ze je vindt in led-verlichting, diodelasers in cd-spelers, en afstandsbedieningen. Iedereen heeft dus III-V-halfgeleiders thuis. Door te spelen met combinaties van deze elementen kunnen we met deze halfgeleiders licht opwekken van het verre infrarood tot in het ultraviolet.”

Als deelnemer in de onderzoeksschool COBRA doet Koenraad onderzoek naar toepassingen van halfgeleiders in systemen voor optische communicatie. Een van de hoofddoelen van de onderzoeksschool is het creëren van circuits die hetzelfde kunnen als de huidige elektronische computerchips, maar waarin de informatie niet elektrisch is vastgelegd, maar optisch: de informatie in deze optische chips worden niet met elektronen uitgewisseld, maar door lichtsignalen.

Maar met III-V-halfgeleiders is nog veel meer mogelijk. Je kunt hierin niet alleen optisch actieve verontreinigingen aanbrengen, maar ook atomen met bepaalde magnetische eigenschappen. En dat maakt ze een interessante kandidaat om nieuwe magnetische geheugenelementen voor computers mee te maken.

Koenraad, die in 2004 een Vici-subsidie ontving, timmert met zijn groep inmiddels goed aan de weg. Binnenkort verwacht hij een overzichtsartikel te publiceren in een zeer vooraanstaand wetenschappelijk tijdschrift en aan het eind van de maand komt de volledige top van zijn vakgebied naar Leiden voor een mede door hem georganiseerde workshop. Daarnaast haalde Koenraad met zijn onderzoek aan magnetische mangaanatomen in een basismateriaal van GaAs recent de omslag van Physical Review Letters, een van de voornaamste tijdschriften voor natuurkundig onderzoek.

Op de omslagafbeelding, die de Eindhovenaren maakten met behulp van de zogeheten ‘scanning tunneling microscope’ (STM), is om de mangaanatomen heen een gebiedje te zien met een positieve elektrische lading. Dit gebied ontstaat doordat het atoom zich een -negatief geladen- elektron uit het omliggende materiaal heeft toegeëigend. En die ladingsverdeling blijkt, afhankelijk van de diepte onder het oppervlak waarop het mangaanatoom zich bevindt, allesbehalve de bolvorm te hebben die men had verwacht. “Dat was een totale verrassing en die ontdekking heeft een grote impact gehad in de onderzoekswereld. We werken al honderd jaar met dit soort systemen, maar niemand had zich gerealiseerd hoe die ladingsverdeling er uit zou zien. Wij hebben dit in 2004 als eerste zichtbaar gemaakt en nu ook kunnen verklaren. Het heeft te maken met de onderliggende kristalstructuur en de nabijheid van het oppervlak.”

Uit de vorm van de ladingsverdeling die op de microscopieplaatjes rond de mangaanatomen is te zien, kun je afleiden hoe diep het atoom zich onder het oppervlak bevindt: hoe dieper, hoe meer de vorm op een vlinderdas gaat lijken. De microscoop kan tot ongeveer tien atoomlagen diep in de halfgeleider kijken. De bedrevenheid van de groep met de STM-microscoop is dan ook essentieel geweest voor de ontdekkingen die de groep de afgelopen jaren heeft gedaan.

Zoals gezegd moeten de mangaanatomen voor magnetische eigenschappen zorgen. Maar hoe dat precies werkt, hangt nauw samen met de geobserveerde ladingsverdeling. Vandaar dat de ontdekking van Koenraads groep van belang is voor iedereen die met deze systemen werkt. En dat belang neemt alleen maar toe met de voortschrijdende miniaturisatie: hoe kleiner alles wordt, hoe dichter de vreemde atomen zich gemiddeld bij het oppervlak bevinden en hoe groter dus het effect van hun precieze locatie. (TJ)/.