EO

Schrijven op nanoschaal met een microscoop

07 oktober 2019 om 16:47 uur

"Deze kennis kan van belang zijn voor de ontwikkeling van betere batterijen of elektrokatalyse."

Onderzoekers van de 3D-Photovoltaics-groep van Amolf hebben, op nanoschaal, een elektrochemische tekst geprint met behulp van een atoomkrachtmicroscoop. Met deze techniek kunnen structuren voor een nieuwe generatie zonnecellen op chips worden getekend.


De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag online in het tijdschrift Nanoscale.


De koperclusters op het oppervlak van een goudplaatje vormen de letters Amolf (zie afbeelding). Met het blote oog onzichtbaar, want de letters zijn maar een paar honderd nanometer groot. Maar met de microscoop waarmee de letters zijn geschreven is het beeld duidelijk te zien. Met deze atoomkrachtmicroscoop (AFM) heeft Mark Aarts, promovendus in de 3D-Photovoltaics groep, opgeloste koperionen zo gemanipuleerd dat ze letters vormen.


Aarts kan zo met koper elke vorm tekenen op een oppervlak. Dat komt van pas bij het maken van een nieuwe generatie zonnecellen, die zonlicht invangen in verticale nanostructuren: draden, kegels of misschien wel boomvormige elementen. Groepsleider Esther Alarcón: "In traditionele zonnecellen valt het licht op de bovenste horizontale laag, dieper in het materiaal wordt het steeds donkerder. In 3D-zonnecellen is niet alleen de toplaag actief, maar het volledige volume van je materiaal." Een van de uitdagingen is het ontwikkelen van een nieuwe techniek om met elektrochemische processen nanodraden direct bottom-up te produceren, in plaats van ze uit een groter stuk materiaal te snijden. Dat is waar Aarts mee bezig is.

 

Tekenen met koper

Aarts gebruikt een eenvoudige elektrochemische reactie die je op de keukentafel kunt uitvoeren: met een helderblauwe oplossing van kopersulfaat in een glas en twee paperclips als elektroden. Wanneer je spanning op de paperclips zet slaat vast koper op een ervan neer. Hetzelfde gebeurt op nanoschaal in de AFM met een naald van platina, 50 nanometer in doorsnee. Voor dit experiment fungeert deze naald als de ene paperclip, en een plaatje goud (of de chip) waarop de structuur wordt getekend als de andere.

 

Dubbellaag

Al snel bleek dat het elektrochemische proces op nanoschaal niet helemaal hetzelfde verloopt als op keukentafelschaal. Zo zag Aarts dat er tegen de verwachting in meer koper op het oppervlak kwam naarmate de concentratie van de kopersulfaatoplossing lager was. Bij hoge concentraties lukte het schrijven zelfs helemaal niet. Wat goed werkte, was het zogenaamde tappen ofwel aantikken van het oppervlak met de AFM-tip. Zonder dit aantikken werd zelfs geen koper gevormd. Een fundamenteel proces ligt hieraan ten grondslag. Aarts: "Om een geladen elektrode heen vormt zich altijd een laag met tegengestelde lading. Deze zogenaamde dubbellaag vormt zich ook rond onze AFM-naald en de goudelektrode en dat voorkomt dat de reactie van koper plaatsvindt. Bijzonder, want op keukentafelschaal faciliteert de dubbellaag juist de reactie. Door het aantikken van het oppervlak met de tip wordt de dubbellaag verbroken en kan de reactie lokaal plaatsvinden."

 

Op weg naar zonnecellen

Het concentratie-effect en de noodzaak van het aantikken zijn nog niet eerder waargenomen, zegt de onderzoeker. "De dubbellaag is een van de belangrijkste verschijnselen in de elektrochemie, maar is nog niet goed begrepen. Deze kennis kan van belang zijn voor de ontwikkeling van betere batterijen of elektrokatalyse."


De structuren die Aarts tekent zijn nu zo'n 50 nanometer groot, omdat de AFM-naald die afmeting heeft. Kleiner zou beter zijn. "Wij denken dat we eenvoudig een kleinere naald kunnen gebruiken om nog kleinere structuren te schrijven."


De droom van de onderzoekers is om daadwerkelijk zonnecellen te maken met deze techniek. Daarvoor moeten de structuren hoger worden. "Gecontroleerd de hoogte in is nog lastig, dus daar wordt aan gewerkt. Uiteindelijk is het voor een zonnecel nodig om structuren opgebouwd uit meerdere materialen te maken, zoals gallium en arsenide, die samen de beste zonnecellen vormen. Met elektrochemie kun je makkelijk tegelijk of na elkaar materialen aanbrengen. Binnen de groep onderzoeken wij ook deze processen en we hopen dit in de toekomst allemaal te combineren."

 

Gerelateerd nieuws

Kogelvrije polymeerblokjes

Kogelvrije polymeerblokjes

Onderzoekers van de Rice University Brown School of Engineering in Houston (VS) hebben kubussen van roosterpolymeer ontwikkeld die de kracht van een kogel en andere projectielen kunnen weerstaan.

En kwantumtransistoren maken we van... germanium!

En kwantumtransistoren maken we van... germanium!

Transistoren op basis van germanium kunnen berekeningen uitvoeren voor de toekomstige kwantumcomputer. Met deze ontdekking van het team van Menno Veldhorst (QuTech) staat de transistor, die sinds zijn uitvinding in de…

Hyundai kruist auto met helikopter en introduceert rijdend ziekenhuis (video)

Hyundai kruist auto met helikopter en introduceert rijdend ziekenhuis (video)

Hyundai grijpt de Consumer Electronics Show (CES) aan om zijn toekomstvisie op stedelijke mobiliteit te tonen. Het bedrijf demonstreert zijn concept voor personenvervoer door de lucht met het Personal Air Vehicle (PAV),…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

28 januari 2020, D&F kantoor Breda

SIL & PL Specialist, machine safety met TÜV persoonscertificaat

28 jan, 04 feb, 18 feb, 03 mrt, 10 mrt en 24 mrt 2020 Examen: 31 maart 2020

28 januari 2020, Den Bosch

Productie Proces Automatisering event

Het Productie Proces Automatisering event richt zich op de productie- en procesindustrie, machinebouwers,...

30 januari 2020, Amsterdam

The Things Conference

Join The Things Conference to speed up your LoRaWAN development process.

Meer agendapunten »