Wie de afgelopen tien jaar wel eens met een schuin oog naar Natuurkundeland heeft gekeken, zal zijn opgevallen dat fysici tegenwoordig dol zijn op plat spul. Zo plat als maar kan: één molecuul dik. Stoffen als grafeen (koolstof), germaneen (germanium), staneen (tin) siliceen en boornitride zijn zo dun dat ze eigenlijk niet eens een achterkant hebben: de natuurkunde spreekt van tweedimensionale materialen, slechts af en toe met het woordje ‘quasi’ ervoor.
Wetenschappers werken graag met zulk platte materialen omdat er interessante natuurkunde in plaatsvindt, maar het dunne spul heeft allerlei eigenschappen die je toe zou kunnen passen. Waarvoor? Alles. Het kan in computerchips, in ultiem dunne condooms, in niet-verstoppende waterfilters, oprolbare telefoons, zonnepanelen, geleidende inkt, te veel om op te noemen. Alleen al voor grafeentoepassingen werden vorig jaar negenduizend verschillende patenten vastgelegd. De afgelopen tien jaar was grafeen het wondermateriaal dat alles kon, behalve het lab uitkomen, maar daar lijkt een eind aan te komen. Er zijn al wat buitensportartikelen en tennisrackets te koop waar het in verwerkt zit, maar daar is het nog vooral een gimmick. Eind dit jaar komt er een ledlamp op de markt met een grafeencoating over de ledjes, die ervoor moet zorgen dat ze langer meegaan en minder stroom gebruiken. En als je meerdere van zulke superdunne materialen op elkaar legt – in een zogeheten Van der Waals-laminaat, vernoemd naar de Leidse natuurkundige – wordt er nog veel meer mogelijk.
Met al die flinterdunne materialen en de miljarden euro’s aan potentiële toepassingen zou het dus wel handig zijn als je goed kon meten aan zulk spul. Zitten er geen productiefoutjes in? Is het laagje echt één molecuul dik? Zitten mijn twee Van der Waals-laagjes wel goed aan elkaar vast? Vindt al die speciale tweedimensionale fysica die er volgens de theoretici zou moeten zijn ook echt plaats?
Natuurkundigen kunnen dat soort dingen nameten met een zogeheten tastmicroscoop. Een superkleine naald glijdt over het oppervlak van het materiaal, en brengt het zo in kaart. Het werkt prima, maar wel heel erg langzaam: de naald tast het monster letterlijk atoom voor atoom af, en er zitten al gauw miljarden atomen in een vierkante centimeter. ‘Met zo’n tastmicroscoop kost het in kaart brengen van een monster een weekend’, vertelt onderzoeker Johannes Jobst. ‘Met onze nieuwe aanpak kost het een minuut.’
In Scientific Reports laten Jobst en zijn collega Jaap Kautz zien hoe die nieuwe aanpak werkt. In plaats van een tastmicroscoop gebruiken ze een elektronenmicroscoop. Normaal gesproken gebruik je die om dingen te bekijken die zo klein zijn dat lichtgolven er omheen kronkelen. Omdat elektronen behalve deeltjes ook golven zijn, kun je ze op dezelfde manier gebruiken als lichtgolven, en omdat elektronengolven een kleinere golflengte hebben, kun je verder inzoomen.
Op de begane grond van het Oortgebouw, in een speciale trillingsvrije ruimte, staat de elektronenmicroscoop van Jobsts collega Sense Jan van der Molen. Het is een zogeheten Lage Energie Elektron Microscoop (LEEM), en in tegenstelling tot wat de naam doet vermoeden is hij juist veel duurder dan de gewone variant, onder meer omdat de ruimte met het monster gekoeld kan worden tot 263 graden onder nul. Met alle ver- en ombouwingen erbij heeft het apparaat een paar miljoen gekost, maar de natuurkundigen laten het ding wel werken voor z’n geld. ‘Er zijn vier mensen die hiermee willen werken, dus we hebben elk om de beurt tien dagen meettijd’, aldus Jobst. Dus ook ’s avonds laat en in het weekend draait de LEEM. ‘Het is gewoon zonde om hem uit te hebben staan.’
Jobst en Kautz gebruikten de supermicroscoop om metingen te verrichten aan grafeen waar een spanningsverschil over ligt. Die maken gebruik van een bijzondere quantummechanische eigenschap van elektronen: als je een elektron met een bepaalde energie op het grafeen afschiet, wordt het geabsorbeerd. Bij een ietsje andere energie mag het elektron er niet in, en stuitert het weg. De gereflecteerde elektronen kun je meten. Op die manier wordt een extra laagje grafeen, één molecuul extra aan dikte, razendsnel zichtbaar. Jobst: ‘Het resultaat is dat we heel lokaal kunnen meten. Als er een punt is met een hogere weerstand, zie je dat ook terug in ons beeld.’
De hoeveelheid energie waarbij een elektron wordt toegelaten, hangt af van hoeveel laagjes grafeen er in het monster zitten. Jobst: ‘Bij één laag zie je een duidelijke band in je grafiek, bij twee zie je twee minima, enzovoort.’ Pas vanaf een laag of acht valt er niet meer te tellen, omdat de banden dan teveel overlappen.
Volgens Jobst zou het trucje ook met andere superplatte materialen moeten werken. Zelf gaat hij echter verder met grafeen. Met zijn vers binnengehaalde Veni-subsidie wil hij zijn meetmethode gebruiken om te bestuderen hoe elektronen zich precies gedragen in een transistor van die superdunne koolstof. Transistoren zitten in vrijwel alle elektronische apparatuur, maar in de silicium transistoren in uw computer raken elektronen makkelijk verstrooid. Een grafenen transistor zou daar veel minder last van moeten hebben, en dus sneller èn zuiniger moeten zijn. ‘In theorie zouden ze duizend keer zo snel moeten zijn. In plaats van een processor met een kloksnelheid van drie gigahertz zou je dan drie terahertz hebben. Dat zou best leuk zijn.’