Nuttig defect; KLEINE MATERIAALVERONTREINIGING IS VAAK VOORDELIG

HET LIJKT onlogisch: een materiaal beter maken door er bewust onvolkomenheden in aan te brengen. Toch kan het. Een perfect halfgeleider kristal is saai. Maar stop er hier en daar een ander atoom in en je krijgt de elektronische componenten waar de hele computerrevolutie op gebaseerd is. Of een laser voor de nieuwe generatie van CD-spelers die werken met blauw in plaats van infrarood licht. Iedereen zou toch denken dat minuscule vlekjes in een verder kristalheldere glasvezelkabel alleen maar kwaad kunnen, maar toch zorgen ze ervoor dat er opeens veel meer signalen tegelijk door de kabel gestuurd kunnen worden. Defecten maken een materiaal ook sterker, want kleine afwijkingen die in het rooster ontstaan wanneer een materiaal begint te breken, kunnen een breuk tot stilstand brengen. Het zijn allemaal voorbeelden die aan bod komen in de korte special die Science onlangs wijdde aan defecten in materialen. Hoewel de nadruk vrij sterk op halfgeleiders is komen te liggen, bieden de vier artikelen en twee nieuws-items toch een heel aardig beeld van het onderzoek naar materiaalfoutjes.

Toen fysici in de jaren veertig voor het eerst met natuurlijke halfgeleidende mineralen gingen werken, waren de resultaten - bijvoorbeeld metingen van de geleidbaarheid - erg verwarrend en bovendien nauwelijks te reproduceren. Al heel gauw werd duidelijk dat de samenstelling en zuiverheid sterk varieerde. Het was de ontdekking van de transistor die duidelijk maakte dat er veel betere en zuiverder kristallen nodig waren: in de huidige generatie halfgeleiders zit soms nog maar één vreemd atoom op tien miljard gastheer-atomen. Maar dat ene atoom oefent een grote invloed uit op de bandgap van de betreffende halfgeleider. Dit is het energieverschil dat een elektron moet overbruggen om aan geleiding bij te kunnen dragen. Een vreemd atoom kan net het opstapje betekenen waardoor dat mogelijk wordt. Aan de andere kant bepaalt de bandgap ook de kleur van het licht dat een halfgeleider kan uitzenden. Tot voor kort straalden Licht Emitterende Diodes (LED's) en halfgeleiderlasers - waarmee CD-ROMS worden afgetast - alleen maar (infra)roodlicht uit. Maar blauw licht kan tot een veel kleiner puntje worden gefocusseerd, waardoor er meer informatie op hetzelfde schijfje kan worden gezet. Daarom werd er jarenlang in vele laboratoria onderzoek gedaan aan halfgeleiders met een voldoende grote bandgap. Op zichzelf was die weliswaar snel gevonden, in de vorm van het galliumnitride, maar in de praktijk bleek dat een zeer weerbarstig materiaal. Pas de introductie van een klein beetje indium betekende een doorbraak. En zelfs dan gaat het nog altijd niet helemaal zonder problemen. De veel grotere indium-atomen passen namelijk niet goed in het galliumnitride rooster, zodat de gevormde kristallen vol zitten met defecten. Waarom de blauwe LED's desondanks een hoge efficiëntie en een lange levensduur hebben is nog altijd een groot raadsel.

De almaar toenemende behoefte aan snelle communicatiekanalen vraagt om een heel ander soort glasvezelkabels dan tot voor kort gemeengoed was. Om veel signalen tegelijkertijd weg te kunnen sturen en bovendien meer opsplitsingen mogelijk te maken, zijn dikkere glasvezels nodig. Maar dat heeft een ongewenst effect. In een glasvezel bewegen de lichtstralen zich namelijk niet netjes door het midden, maar worden ze van de ene kant naar de andere teruggekaatst, zonder te kunnen ontsnappen. Er zijn dus vele manieren - 'lichtpaden' - om van het ene eind naar het andere te komen. En naarmate glasvezels dikker worden, neemt ook het verschil in weglengte tussen die lichtpaden toe. Dat heeft tot gevolg dat een laserpulsje dat de fiber doorloopt zich verbreedt en zo gaat kan gaan overlappen met de pulsjes die er achteraan komen. Hierdoor zou informatie verloren gaan. De afstand tussen twee opeenvolgende lichtpulsen kan dus niet willekeurig klein gemaakt worden. Je zou het kunnen vergelijken met auto's die in verschillende rijstroken een rondje rijden op een circuit. Zelfs wanneer ze met korte tussenpozen zouden vertrekken, komen ze nog op hetzelfde moment aan: een buitenbocht is nu eenmaal langer. Wanneer de bestuurders echter tijdens de rit voortdurend van baan wisselen, dan worden hun reistijden als het ware gelijkgeschakeld en blijft hun onderlinge afstand gehandhaafd. In een glasfiber gebeurt dit 'gelijkschakelen' door overal kleine optische verstoringen - defecten - in het vezelmateriaal aan te brengen. Daardoor kunnen de lichtpulsjes wél vlak na elkaar vertrekken, waardoor veel hogere datatransmissie snelheden worden bereikt.

En vanzelfsprekend komen ook de buckybuisjes nog even aan bod. Want hoewel bladen als Nature en Science zich wel heel gemakkelijk openstellen voor iedereen die weer iets raars heeft gemeten aan deze koolstofbuisjes met hun kippengaas structuur, dient gezegd dat ze soms wel heel verrassende resultaten opleveren. Ze zijn opgebouwd uit aan elkaar gekoppelde zesringen van koolstofatomen. Heel af en toe is er tijdens de fabricage wat misgegaan, en zitten er in plaats van twee zesringen een vijf- en een zevenring naast elkaar. Een fout met grote gevolgen: waar het buisje aanvankelijk een elektrische stroom geleidde als was het een metaal, is het achter het defect opeens een halfgeleider geworden. Zo verandert een moleculair stroomdraadje opeens in een moleculaire diode, een elektronische component die een stroom in één richting laat passeren en in de andere richting tegenhoudt. Het is nu alleen nog zaak om ervoor te zorgen dat zo'n defect op de juiste plaats wordt ingebouwd.