Het karakter van kippengaas; GELEIDING IN BUCKYBUISJES HANGT AF VAN STRUCTUUR

Buckybuizen kunnen zich gedragen als halfgeleider of metaal, afhankelijk van hun structuur. Dat blijkt uit metingen, die onder andere in Delft werden uitgevoerd.

BUCKYTUBES, dunne moleculaire koolstofbuisjes, blijven de gemoederen bezighouden. Werden begin april de eerste geleidingsmetingen aan deze 'nanodraden' gepubliceerd, nog binnen een jaar wordt een opvallende theoretische voorspelling uit 1992 experimenteel bevestigd: de geleiding hangt inderdaad af van de structuur. In de eerste Nature van dit jaar presenteren twee onderzoeksgroepen, waaronder die van Cees Dekker van de Technische Universiteit Delft, zeer gedetailleerde metingen aan de elektronische eigenschappen van afzonderlijke buckytubes (Nature, 1 januari). In beide gevallen werd hiervoor gebruik gemaakt van een Scanning Tunneling Microscoop (STM), waarmee bij lage temperaturen bovendien de atomaire structuur kon worden afgebeeld.

Hoewel de monsters op verschillende manieren werden verkregen en ook verschillende diktes hadden, overlappen de resultaten van de twee groepen elkaar ten dele, en vullen ze elkaar daarnaast goed aan. Zo kon een duidelijk beeld ontstaan van de geleiding in deze koolstofbuisjes. Die bestaan uit opgerolde grafietlagen, een soort kippengaas van koolstof. Dat oprollen kan echter op verschillende manieren gebeuren. Allereerst kan natuurlijk het aantal koolstofatomen aan de omtrek variëren en daarmee de diameter. Verder kunnen de zeshoekige basisstructuren recht naast elkaar zitten - waardoor de uiteinden van de buisjes een zigzag-structuur vertonen - of juist enigszins schuin van elkaar weglopen. Ze slingeren in dat geval als een helix om het buisje heen. Alle theoretisch mogelijke structuren kunnen heel simpel met behulp van twee gehele (helix)getallen worden gekarakteriseerd.

Berekeningen hadden al uitgewezen dat de elektronische eigenschappen van de verschillende structuren wel eens drastisch van elkaar zouden kunnen verschillen. Zo zouden de zigzag-structuren zich altijd als metalen gedragen, terwijl de helix-structuren óf een halfgeleider zijn óf een metaal, iets dat zou afhangen van de precieze waarden van de twee helixgetallen. Dat laatste blijkt nu prachtig te kunnen worden bevestigd. Uit metingen van een groot aantal buisjes kon zelfs een theoretisch verband worden afgeleid tussen de diameter en de grootte van de bandgap, een fundamentele parameter voor halfgeleiders.

Toch werpen de twee nu gepubliceerde artikelen vragen op. Tot een jaar geleden werden alle metingen aan buckybuisjes gedaan aan zogeheten touwen, waarin een groot aantal buisjes verknoopt zijn. Uit metingen met de elektronenmicroscoop aan dit soort moleculaire vlechtwerkjes was vast komen te staan dat deze overwegend zijn opgebouwd uit één bepaalde soort. Nu de afzonderlijke buisjes echter in beeld kunnen worden gebracht, blijkt juist die soort nauwelijks voor te komen.