Gestapeld grafeen spiegelt elektronenbundels

De onderzoekers publiceerden hun onderzoek in het vakblad Physical Review Letters.
eV-TEM, noemen Geelen en collega’s de nieuwe techniek. Het is een variant op de elektronenmicroscoop, waarbij bundels van elektronen worden afgevuurd op het preparaat dat in beeld gebracht moet worden.

Langzame elektronen

Volgens de kwantummechanica zijn elektronen net zo goed golven als zichtbaar licht, alleen met een veel kortere golflengte. Dus zijn met behulp van elektronen kleinere details in beeld te brengen dan met een lichtmicroscoop. Het nadeel is wel dat de elektronen een preparaat op den duur beschadigen.

Dat is een van de redenen dat Daniël Geelen, Johannes Jobst, Sense Jan van der Molen en Rudolf Tromp ‘langzame’ elektronen gebruiken, met lage energieën van enkele elektronvolts in plaats van de gebruikelijke tien- of honderdduizenden elektronvolts.

Elektronen in beeld brengen

De groep beschikt sinds 2010 over een door Tromp bij IBM ontwikkelde Low Energy Electron Microscope (LEEM) die de terugkaatsende elektronen in beeld brengt. Geelen breidde de opstelling uit door ook de elektronen in beeld te brengen die door het preparaat heenschieten, de ‘transmissie’. Daarmee werd het apparaat ook een Transmissie Elektronen Microscoop (eV-TEM).

Elektronen in grafeen

Een van de eerste onderzochte materialen is grafeen. De onderzoekers schoten de langzame elektronen af op enkele, dubbele en driedubbele laagjes grafeen, en brachten zo de transmissie in beeld. "Er is veel onderzoek geweest naar hoe elektronen zich gedragen binnenin grafeenlagen, maar nauwelijks naar hoe ze bewegen tussen verschillende lagen", vertelt Van der Molen.

Theorie getoetst

Een theoretisch model uit de jaren zeventig voorspelt dat langzame elektronen gemakkelijk door dunne lagen heenschieten, omdat ze nauwelijks interacties aangaan met de elektronen in die laagjes. Naarmate de energie en de snelheid van de elektronen wordt opgevoerd, nemen de interacties toe, waardoor er steeds minder elektronen door het preparaat heenkomen. Deze ‘universele curve’ zou gelden ongeacht het materiaal.

Grafeen als spiegel

Maar de Leidse natuurkundigen zagen iets heel anders. Bij specifieke elektronenenergieën maten ze scherpe dalen in de transmissie, die overeenkwamen met pieken in de reflectie. "Voor elektronen met bepaalde energieën werkt het grafeen als een spiegel", zegt Van der Molen.
In het artikel geven ze ook een verklaring: elektronen zijn golven, en voor bepaalde golflengtes versterken de gereflecteerde golven van de afzonderlijke grafeenlagen elkaar. Door deze ‘positieve interferentie’ werken alle grafeenlaagjes samen als een spiegel.

Hetzelfde effect is te zien in de groene of paarse waas van een antispiegelingslaag op brillen en verrekijkers. Die bestaan ook uit laagjes, waarvan de reflecties positief interfereren voor groen of paars licht.
Dunne lagen minder voorspelbaar
Het golflengte-afhankelijke spiegelen geeft aan dat dunne lagen zich helemaal niet zo voorspelbaar en materiaal-onafhankelijk gedragen, meent Jobst. "De resultaten zijn sterk afhankelijk van de elektronenstructuur van het materiaal, èn van de energie van de elektronen."

Bundelsplitsers voor elektronen?

Daarbij toont het onderzoek de mogelijkheid aan om gelaagd grafeen te gebruiken als spiegel voor elektronenbundels. "Het is misschien zelfs mogelijk om ze te gebruiken voor bundelsplitsers."

Zulke bundelsplitsers, die een enkele invallende bundel splitsen in twee afzonderlijke bundels, zijn standaard en in veelvoudig gebruik in de lichtoptica, maar bestaan nog niet voor elektronen. Dunne grafeenlaagjes zouden in dit gemis kunnen voorzien. Maar eerst willen de onderzoekers andere materialen in beeld brengen. Van der Molen: "Door deze stap wordt fundamenteel nieuw onderzoek mogelijk; niet alleen aan gelaagde materialen, maar bijvoorbeeld ook aan gevoelige biomoleculen die in standaard elektronmicroscopen snel kapot gaan."

Bron: Universiteit Leiden