Atoom-dikke materialen: voorzichtig behandelen… met huishoudfolie

Naarmate materialen dunner worden, wordt het steeds moeilijker om grote vellen te maken en transporteren zonder dat ze in schilfers uiteenvallen. Amsterdamse wetenschappers lossen dit probleem op met een materiaal dat in elke keuken te vinden is.

2D-materialen zijn volgens de onderzoekers vergelijkbaar met een stapel Post-Its: elk velletje zit zelf stevig in elkaar, maar de lagen kleven onderling slechts licht aan elkaar, waardoor ze gemakkelijk van elkaar los te trekken zijn. Het maken van een bruikbaar velletje is echter een uitdaging. Meestal wordt gewoon plakband op een kristal gedrukt en er weer afgetrokken. Daarbij heeft het materiaal de neiging te barsten, waardoor er weliswaar dunne, maar ook minuscuul kleine schilfers overblijven – te klein voor de meeste praktische toepassingen.

In 2018 werd een nieuwe methode ontdekt die gebruikmaakt van goudfilms – daarom gold-assisted exfoliation genoemd – en die een grote stap voorwaarts betekende. Onderzoekers konden hiermee grotere velletjes materiaal, tot enkele centimeters groot, afpellen en overbrengen op vlakke glazen oppervlakken. Er ontstond echter een nieuw probleem: de meeste oppervlakken waarop je het vel zou willen aanbrengen zijn niet vlak. Ze hebben patronen – variërend van minuscule elektrische contacten tot optische coatings en gestructureerde oppervlakken. Het schilferprobleem dook opnieuw op: tot dan toe was het niemand gelukt om deze grotere, ultradunne velletjes zonder ze te beschadigen op dergelijke geaccentueerde oppervlakken te plaatsen.

Een onverwacht hulpmiddel

Het probleem van het overbrengen van voldoende grote, dunne velletjes materiaal is precies wat het nieuwe onderzoek oplost – en een alledaags keukenmateriaal bood de oplossing. Met huishoudfolie.

Eerste auteur Bernardo Dias van het onderzoeksartikel in ACS Nano: “Toen ik 3 jaar geleden bij onze onderzoeksgroep begon, realiseerde ik me al snel hoe moeilijk het was om te werken met 2D-materialen. Het assembleren van een compleet ontwerp was een kwestie van geluk – soms hechtte het 2D-materiaal gewoon niet aan het oppervlak – en uiteindelijk kreeg je een piepklein apparaatje van een micrometer groot. Aangemoedigd door mijn begeleider, Jorik van de Groep, ben ik op zoek gegaan naar een betere methode, en het bleek dat huishoudfolie precies de juiste eigenschappen heeft om deze delicate materialen voorzichtig en effectief te hanteren.”

Jorik van de Groep, hoofd van de 2D Nanofotonica-groep aan het UvA-Institute of Physics, voegt daaraan toe: “De ontdekking om huishoudfolie voor deze toepassing te gebruiken, was puur toeval. We probeerden resultaten van een onderzoeksgroep in Japan te repliceren, maar het bleek dat huishoudfolie in Europa van een andere polymeer is gemaakt. We stelden vast dat het polymeer dat hier gebruikt wordt, smelt bij 120 °C, terwijl dat van hen dat niet deed. Die eigenschap bleek de doorslaggevende factor te zijn voor een succesvolle 2D-materiaaloverdracht: we konden ons huishoudfolie eenvoudigweg op het materiaal smelten om het te laten hechten.”

Symbiotische samenwerking

Het team dat de nieuwe techniek ontwikkelde, is volledig gevestigd op het Amsterdam Science Park, maar bestaat uit experts uit verschillende instituten. Van de Groep: “De samenwerking was opmerkelijk. Het project werd geleid vanuit het UvA-Institute of Physics, maar we werkten samen met chemici van het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences van de UvA, nanolithografen van ARCNL en complexe-materiewetenschappers van Amolf. Het eindresultaat was alleen mogelijk dankzij een symbiotische samenwerking tussen al deze partijen.”

Nieuwe doelen binnen handbereik

De nieuwe techniek maakt niet alleen het ‘inpakken’ van grote, opvallende materialen met enkele materiaallagen mogelijk, maar blijkt ook te verbeteren hoe het materiaal licht uitzendt. Nu de overdracht van 2D-materialen over grote oppervlakken binnen handbereik is, worden toepassingen die voorheen moeilijk te realiseren waren, haalbaar. Grootschalige fabricage van transistors op basis van 2D-materialen, of de ontwikkeling van ultradunne optische elementen zoals lenzen en modulatoren, zijn nu toegankelijker onderzoeksgebieden.

De mogelijkheden zijn niet alleen technologisch. Door twee dunne materialen op elkaar te stapelen, kunnen eigenschappen ontstaan ​​die geen van beide materialen afzonderlijk bezit. Dit maakt deze constructies een vruchtbaar platform voor het bestuderen van nieuwe natuurkunde in gecondenseerde-materiesystemen. Of het nu gaat om het bouwen van de volgende generatie apparaten of het onderzoeken van nieuwe quantumfenomenen, de nieuwe techniek brengt beide doelen een stukje dichterbij.

Bron: UvA.nl