Microscoopnaaldje onder stroom verplaatst atomen

Materiaalonderzoekers van de Harvard University in de Verenigde Staten hebben ontdekt dat men met het naaldje van de scanning tunneling microscoop (STM) in een vaste stof een grootschalige verandering in kristalstructuur kan bewerkstelligen.

De STM is een microscoop waarin het beeld wordt opgebouwd door met een ragfijn naaldje in razendsnel tempo volgens een vast patroon een oppervlak af te tasten. Maar in de afgelopen jaren is gebleken dat zo'n naaldje nog veel méér kan doen, zoals het los- en vastmaken en verplaatsen van atomen en moleculen en het op nanometerschaal 'graveren' van oppervlakken.

De Harvard-onderzoekers bestudeerden atoom-gladde oppervlakken van tantaaldiselenide (TaSe), een kristallijne stof die op atomair niveau is opgebouwd uit telkens drie lagen van afwisselend seleen-, tantaal- en seleenatomen. De seleenatomen vormen hierbij een hexagonale, dichtste bolstapeling, terwijl de tantaalatomen zich bevinden in de 'octaëderholten' tussen de lagen seleenatomen. Op een STM-opname waren het hexagonale rooster van de buitenste seleenatomen en de structuur van de eenheidscel (de kleinste eenheid in een kristal die zich in alle richtingen op dezelfde wijze herhaalt) duidelijk te zien.

Werd er nu met het ragfijne naaldje van de STM - in ultrahoog vacuüm en bij de temperatuur van vloeibaar helium: 4,8 K - een stroompulsje naar het materiaaloppervlak gezonden, dan werd de structuur daarvan plaatselijk opeens veranderd. In een min of meer zeshoekig gebiedje van enkele tientallen nanometers diameter had in de vaste stof een fase-overgang plaatsgevonden die tot de vorming van een of meerdere nanokristallen had geleid. De diameter van de ontstane kristallen varieerde van 7 tot meer dan 100 nanometer en was afhankelijk van de spanning van het stroompulsje (Science, 1 november).

De oorzaak van deze fase-verandering blijkt te liggen in een verplaatsing van de seleenatomen in de toplaag van het materiaal. Deze atomen bewegen zich onder invloed van het kortstondige lokale elektrische veld en massa in een voor hen energetisch gunstige richting, waardoor een grote verandering plaatsheeft in de elektronenstructuur van het materiaal. Hierbij veranderen de octaëdervormige holten - met hun tantaalatomen - tussen de lagen van seleenatomen in holten die de vorm hebben van een driezijdig prisma.

Volgens de onderzoekers is het aldus teweeg brengen van een fase-overgang “een intrigerende methode voor het produceren van nanokristallen in vaste stoffen en zou het ook interessante mogelijkheden kunnen bieden voor het bestuderen van zulke fase-overgangen”. Langs deze weg zou het mogelijk moeten zijn in het materiaal van dunne films, zoals gebruikt in de micro-elektronica, lokaal veranderingen aan te brengen. De onderzoekers speculeren dat dit mogelijk zou kunnen zijn bij molybdeentelluride, een verbinding die zowel voorkomt in metallische als halfgeleidende toestand.