Rij aan rij steken ze kaarsrecht omhoog, als een aangeplant naaldbos. De bomen in dit bos doen denken aan vlaggenmasten, met de kenmerkende bolletjes bovenop de mast. Alleen zijn ze slechts enkele micrometers hoog en in de cleanroom gemaakt door prof.dr. Erik Bakkers (38). Nanodraden zijn het, laag voor laag opgebouwd uit halfgeleidermateriaal.

De typische vorm met de bolle hoedjes hangt samen met de ontstaansgeschiedenis van de nanodraden. Het klinkt als een sprookje, maar de draden groeien vanuit een druppel goud, die uiteindelijk als een hoedje op de draad blijft zitten. “De gouddruppel werkt als katalysator”, legt Bakkers uit. “De druppel absorbeert de atomaire bouwstenen voor de nanodraad die we in de gasfase toevoegen. Als de gouddruppel verzadigd raakt, scheidt hij deze halfgeleideratomen aan de onderkant af.” Daar vormen ze spontaan een kristalrooster dat de gouddruppel optilt. Na verloop van tijd ontstaat zo een pilaar ter dikte van de druppel, enkele honderden atomen dik. Het groeiproces voltrekt zich op zeer gecontroleerde wijze, waardoor het kristalrooster bijzonder weinig defecten bevat. Dit verschaft de nanodraden bijzondere eigenschappen die ze geschikt maken voor allerlei toepassingen. Bijvoorbeeld in zonnecellen, als minuscule lichtbronnen en als kwantumbits.

Een woud van nanodraden.

Het groeiproces: de nanodraad groeit uit vanuit een gouddruppel met opgeloste halfgeleider.

Bijna tien jaar werkte de chemicus Bakkers bij Philips aan nanodraden, alvorens begin 2010 terug te keren naar de academische wereld. “Toen Philips rond 2006 zijn halfgeleiderdivisie afstootte, heb ik nog een paar jaar aan een Europees project gewerkt, maar toen dat afliep, was de tijd rijp om de stap terug te maken.” Op voorspraak van prof.dr. Paul Koenraad kon hij begin 2010 aan de TU/e als universitair hoofddocent aan de slag. Daarnaast werkt Bakkers in Delft een dag in de week als deeltijdhoogleraar samen met Spinozaprijswinnaar Leo Kouwenhoven. Een jaar later heeft de hij al mooie resultaten geboekt. Van NWO kreeg hij in december een prestigieuze Vici-subsidie waarmee hij in Eindhoven een groep kan opbouwen, en de week voor kerst publiceerde Nature een artikel waaraan Bakkers meewerkte als Delftse deeltijdhoogleraar.

Nanodraden hebben vele toepassingen, legt Bakkers uit. “De elektrische weerstand van de draad verandert als je er een elektrisch veld over aanlegt. Dat betekent dat je een transistor kunt maken door aan een nanodraad elektrodes toe te voegen.” Bij Philips werkte de chemicus aan hoogfrequente transistoren op basis van nanodraden. Door de juiste halfgeleider te gebruiken, kun je ook nanodraden maken die als een led licht uitzenden. Zo maakte Bakkers bij Philips uit een nanodraad de kleinste lichtbron ter wereld. Andersom kunnen nanodraden ook licht absorberen en omzetten in stroom, zodat je er een zonnecel mee kunt maken.

De meeste elektronica is gemaakt uit silicium. Voor veel toepassingen zijn zogeheten III-V-halfgeleiders, zoals galliumarsenide, echter superieur. Deze materialen kunnen in tegenstelling tot silicium licht uitzenden en je kunt er zonnecellen mee maken die potentieel een driemaal hoger (tot wel zestig procent) rendement hebben dan siliciumcellen. De III-V-halfgeleiders zijn alleen veel duurder dan silicium, dat uit zand gewonnen wordt. Dat nadeel kun je echter compenseren door met nanodraden te werken, doordat je veel minder materiaal nodig hebt dan wanneer je met ‘bulk’-materiaal werkt. Dat kan wel een factor duizend schelen, potentieel het verschil tussen ‘te duur’ en ‘rendabel’.

Bovendien hebben nanodraden praktische voordelen: zo zou je er flexibele zonnecellen van kunnen maken. Dit kan ook van organisch materiaal, maar deze ‘plastic’ zonnecellen hebben vooralsnog een laag rendement en verouderen snel. Dat je met nanodraden van III-V-halfgeleiders zo’n hoog rendement kunt halen, komt doordat je gecontroleerd meerdere lagen van verschillende materialen op elkaar kunt aanbrengen zonder defecten. Dit kan zowel in horizontale plakjes als in verticale schillen (als een soort jaarringen om bij de naaldboomanalogie te blijven). Hierdoor kun je gelijktijdig verschillende kleuren licht benutten.

Bakkers richt zich aan de TU/e op het maken van ensembles van nanodraden, eventueel geschikt als zonnecel. Komende zomer moet hiervoor een faciliteit binnen de COBRA-cleanroom zijn ingericht, zodat Bakkers en collega’s niet langer labruimte bij Philips hoeven te huren. Zijn samenwerking met Delft is daarentegen toegespitst op slechts enkele draden. Met zijn Delftse collega’s slaagde hij erin om een enkel vrij elektron op te sluiten in een nanodraad en deze vervolgens met een elektrisch veld te manipuleren. Tot dusverre was deze manipulatie alleen met magnetische velden gelukt, voldoende reden voor het veeleisende Nature om het onderzoek te publiceren.

Deze doorbraak in de manipulatie van individuele elektronen biedt mogelijkheden om elektronen in nanodraden te gebruiken als bits in kwantumcomputers - de toekomstige generatie supercomputers. Bakkers ziet het ook al voor zich: op termijn wil hij driedimensionale netwerken van nanodraden maken door zijtakken te laten groeien. Zo’n netwerk kan als basis dienen voor een kwantumcomputer. Zeker als in de nanodraden ook licht wordt opgewekt om te communiceren tussen kwantumbits. “Maar zover zijn we nog lang niet. Dat is helaas nog ver weg.” (TJ)