Scanning tunneling microscoop trekt loodpilaar uit oppervlak

Vorige week promoveerde Laurens Kuipers aan de Universiteit van Amsterdam op een onderzoek naar verschijnselen op metaaloppervlakken dat internationaal de aandacht heeft getrokken. Kuipers maakte daarbij gebruik van een nieuw type scanning tunneling microscoop (STM) die hij op het FOM-instituut voor atoom- en molekuulfysica (AMOLF) ontwikkelde.

De essentie van een scanning tunneling microscoop is een scherp naaldje dat met grote precisie dicht over een oppervlak gesleept wordt. Tussen de tip van het naaldje en het te onderzoeken oppervlak wordt een spanningsverschil aangelegd. Onder vacuüm-omstandigheden gaat bij een bepaalde afstand tussen tip en afzonderlijke atomen in het oppervlak een elektrisch stroompje lopen. Door de positie van het naaldje zodanig te variëren dat de stroomsterkte gelijk blijft, kun je een soort reliëfkaart van het oppervlak samenstellen waarin de lokatie van de afzonderlijke atomen zichtbaar is.

De STM die Kuipers ontwikkelde kan met hoge snelheid metingen doen bij relatief hoge temperaturen en slaat daarbij de meetgegevens digitaal op. Zo kunnen van niet al te snel verlopende oppervlakteprocessen 'live' videobeelden worden gemaakt. Het Amerikaanse tijdschrift Science sprak in dit verband van 'an atomic film festival'.

Kuipers heeft onderzocht hoe mono-atomaire 'stapranden' over een oppervlak bewegen. Dat zijn randen van vlakke atoomlagen, terrassen met een hoogteverschil van steeds één atoom. Hun gedrag is van belang voor het opdampen van atoomlagen en voor de stabiliteit in micro-elektronische toepassingen. Kuipers vond dat op een loodoppervlak stapranden altijd bewegen door verplaatsing van atomen langs de rand - en nooit door verplaatsing van atomen vanaf een terras naar beneden.

Daarnaast keek Kuipers naar wat er gebeurt als de naald over een warm loodoppervlak beweegt. Als de temperatuur toeneemt, worden de atomen steeds beweeglijker. Het blijkt dat loodatomen de toegenomen mobiliteit aanwenden om naar de naald over te springen. Wordt de naald omhooggetrokken, dan kan een pilaar tussen oppervlak en naald ontstaan tot een lengte van micrometers, ofwel miljoenen atomen. Dit effect was theoretisch voorspeld, maar nog niet waargenomen. (Newton News)